LENGUAJE CIENTÍFICO. MAGNITUDES Y...

Física y Química Básica para ESO: 01 Lenguaje científico. Magnitudes y medidas

IES Nicolás Copérnico Departamento de Física y Química Pág 1

LENGUAJE CIENTÍFICO. MAGNITUDES Y MEDIDAS

1.- LOS SISTEMAS FÍSICOS

La observación y estudio de los cambios que sufren partes limitadas del Universo (llamadas SISTEMAS FÍSICOS) es fundamental para alcanzar el objetivo planteado. Cualquier porción del Universo, independiente del tamaño, constituye un sistema físico. Es muy importante fijar el sistema físico estudiado y distinguirlo del resto del Universo.

LOS SISTEMAS SE INTERCAMBIAN DOS COSAS: MASA Y ENERGÍA El sistema puede relacionarse con el medio que lo rodea; en lenguaje científico decimos que el sistema interacciona con el medio. Como consecuencia de la interacción, puede tener lugar un intercambio de materia y/o energía entre el sistema y el medio. Los conceptos de materia y energía se estudiarán un poco más adelante; de momento, sólo debes tratar la materia y la energía como algo que los sistemas físicos pueden intercambiar con el medio que los rodea. De acuerdo a la posibilidad de intercambio de materia y/o energía los sistemas se pueden clasificar como:

SISTEMAS CERRADOS: No permiten el intercambio de materia. SISTEMAS AISLADOS: No permiten el intercambio de materia ni de energía.

Como consecuencia de los intercambios, algunas de las características del sistema pueden variar. La observación de los cambios que pueden sufrir los sistemas físicos nos llevó a inventar las MAGNITUDES FÍSICAS.

MAGNITUDES FÍSICAS Y UNIDADES Un cuerpo es el sistema físico más simple. Algunas propiedades del cuerpo son comparables con otros cuerpos de manera OBJETIVA, es decir, sin que influya el ánimo de la persona que realiza la comparación. Estas propiedades, comparables objetivamente, son las MAGNITUDES FÍSICAS. La comparación realizada es un PROCESO DE MEDIDA. A1.2 Señala cuáles de las siguientes cualidades son magnitudes físicas:

a) la longitud de una cuerda b) el gusto por la música c) la superficie de un terreno d) la velocidad de la luz e) el color de una pintura f) la hermosura de un paisaje g) el peso de una barra de pan h) el color de una pintura

A1.3 Tienes un sistema físico formado por un vaso de vidrio que contiene agua. Haz un dibujo del sistema e indica todas las magnitudes físicas que encuentras en el sistema.

El conocimiento del Universo (su origen, su estructura y su evolución) constituye el objetivo de las Ciencias de la Naturaleza: Biología, Geología, Física y Química



MULTIPLOS Y DIVISORES: A veces, la unidad escogida para medir una magnitud resulta ser un valor demasiado grande: por ejemplo, utilizar un litro para medir el volumen de una gota de agua. Por ello, se suele dividir la unidad en otras partes más pequeñas que sean útiles para medir. En otras ocasiones, la unidad elegida resulta pequeña y necesitamos valores mayores. Para referirnos a estos múltiplos o divisores se utilizan prefijos: KILO (k): mil unidades DECI (d): Unidad dividida por diez HECTO (h): cien unidades CENTI (c): Unidad dividida por cien DECA (da): diez unidades MILI (m): Unidad dividida por mil En otros términos:

milicentideciUNIDADdecahectokilo x10x10x10x10x10x10 Deducir las relaciones numéricas entre dos prefijos es muy fácil: el de la izquierda es mayor y por cada salto tendremos que multiplicar por diez: 1 deci = 100 mili 1 hecto = 1000 deci 1 deca = 1000 centi A1.4 Completa las siguientes igualdades: a) 1 hecto = _______ centi b) 1 kilo = 100 ______ c) 1 deca = _______ deci d) 1 hecto = 1000 _____ e) 1 hecto = ______ mili f) 1 deca = 1000 ______ g) 1 deci = ______ centi h) 1 centi = 10 ______ Para cantidades grandes necesitamos otros prefijos: 1000 kilo = 1 Mega (M) 1000 Mega = 1 Giga (G) 1000 Giga = 1 Tera (T) 1000 Tera = 1 Peta (P) En Informática, por razones que quedan fuera de lugar, en lugar de 1000 se utiliza la equivalencia 1024. Para no confundir se está tendiendo a llamarlas kibi, mebi, gibi y tebi. La unidad de información se llama byte (b). Así 1 kb = 1024 b, 1 Mb = 1024 kb, 1 Gb = 1024 Mb, etc. Cuando se utilizan cantidades muy grandes o muy pequeñas es aconsejable utilizar la notación científica. Ésta consiste en utilizar las POTENCIAS DE DIEZ: 100 = 10x10 = 102 1.000 = 10x10x10 = 103 1.000.000 = 10x10x10x10x10x10 = 106 2.000.000 = 2 x 1.000.000 = 2 x 106 1.500.000 = 1,5 x 1.000.000 = 1,5 x 106

0'1 = 1 / 10 = 10-1 0'001 = 1 / 1000 = 1 / 103 = 10-3

0'0000001 = 1 / 10000000 = 1 / 107 = 10-7 0'000000578 = 5,78 x 0'0000001 = 5'78 x 10-7



IMPRESCINDIBLE: Debes saber multiplicar y dividir por la unidad seguida de ceros, SIN UTILIZAR CALCULADORA A1.5 Expresa las cantidades de la actividad A1.1 en notación científica. A1.6 Expresa en notación científica las siguientes cantidades: a) 5.900.000 b) 1.200.000 c) 10.500.000 d) 0,00147 e) 0,00307 f) 0,00000748 A1.7 Ordena las siguientes cantidades de menor a mayor: a) 5,4 x 103 b) 680 c) 0,5 x 104 d) 7980 e) 88 x 103 f) 5600000 x 10-3

A1.8 Completa las siguientes relaciones (expresa las cantidades en notación científica): 1 km = mm 1 s = ps 1 hg = g 1 dam = nm 1 cs = s 1 mg = ng 1 Mm = km 1 Gw = kw

MAGNITUDES FUNDAMENTALES Y DERIVADAS Algunas magnitudes, llamadas DERIVADAS, se pueden obtener como combinación matemática de otras más simples, llamadas FUNDAMENTALES. En otras palabras, para tomar medidas de las magnitudes derivadas hay que combinar medidas de magnitudes fundamentales. En 1960 se estableció un Nuevo Sistema Internacional de Unidades (S.I.) en la Conferencia General de Pesos y Medidas, reunida en París. En la misma se eligieron SEIS MAGNITUDES FUNDAMENTALES, en función de la facilidad de medición. En este curso vamos a trabajar con cuatro de ellas: TIEMPO, MASA, LONGITUD Y TEMPERATURA. A1.9 Señala cuáles de las siguientes frases son correctas haciendo uso del lenguaje científico:

a) He comprado cien kilos de patatas b) Este termómetro mide los grados c) La memoria de este ordenador es de dos megas d) La cinta métrica sirve para medir los metros e) El minuto es una medida de tiempo

2.- TIEMPO Es una magnitud muy difícil de definir, aunque es la primera que se aprende a medir. La unidad correspondiente al S.I. es el segundo (s), cuya definición es imposible de entender en estos niveles. Otras unidades conocidas son: minuto (1 min = 60 s), hora (1 h = 60 min), etc.

NO OLVIDES: Una medida está formada por la unidad elegida para comparar y por la cantidad de veces

que el objeto a medir contiene a la unidad Todos los resultados y datos que aparecen en los ejercicios se refieren a medidas: no

puedes escribir sólo la cantidad, es imprescindible que señales, además, la unidad



Para adecuar la unidad al tiempo que hay que medir se utilizan los conocidos prefijos: 1 kilosegundo (ks) = 1000 s 1 s = 10 decisegundo (ds) 1 hectosegundo (hs) = 100 s 1 s = 100 centisegundo (cs) 1 decasegundo (das) = 10 s 1 s = 1000 milisegundo (ms) ACTIVIDAD PARA PENSAR: El ser humano sintió muy pronto la necesidad de disponer de unidades de tiempo con objeto de prever ciertos acontecimientos importantes: el nacimiento de un hijo, la duración de un viaje, la maduración de una cosecha, etc. Imagínate que estás en plena Edad de Piedra y trata de encontrar fenómenos naturales que te permitan medir el tiempo.

¿Cómo se inventó el día? ¿Y el mes? ¿Y la semana? ¿Y el año? ¿Cómo podrías saber que ha transcurrido un año sin consultar almanaques ni

contar los días? UN POCO DE ASTRONOMÍA: La trayectoria del Sol no es la misma todos los días

En la figura se refleja este hecho. La pequeña bolita representa al Sol al llegar el mediodía. La zona sombreada representa nuestro horizonte. La línea meridiana es la línea NORTE – SUR (la perpendicular será la línea ESTE - OESTE). Como ves, el Sol no alcanza siempre la misma altura al mediodía (se dice que el Sol está en la meridiana). Al mediodía del 22 de diciembre se encuentra en el punto más bajo. A partir de esa fecha va alcanzando alturas mayores hasta llegar al 21 de junio donde la altura del Sol (al mediodía) es máxima. A partir de esa fecha, la altura del Sol empieza a disminuir hasta llegar al punto mínimo del 22 de diciembre. Este ciclo se repite anualmente.

Como debes saber, el Sol no se mueve durante el día, sino que, debido al giro de la Tierra sobre si misma (representado en la figura por el pequeño arco de la izquierda con giro de Oeste a Este), parece moverse en dirección Este a Oeste. Así el Sol parece describir las circunferencias representadas en la figura. El ángulo que forma el eje de giro de la Tierra con la meridiana es la LATITUD del lugar donde nos encontramos. Como ves la longitud del trozo de circunferencia que hay por encima del horizonte no es igual a la del trozo que cae por debajo del horizonte.

a) ¿Sabrías explicar por qué en verano las noches son más cortas que en invierno? b) ¿En qué fecha la noche dura 12 horas? c) ¿Sale el Sol siempre por el Este? d) ¿Podrías utilizar estos hechos como calendario anual? e) Dibuja esa figura para un observador que se encuentre en el Polo Norte. ¿Cómo serían las noches

en ese lugar? TRABAJO BIBLIOGRÁFICO PARA ENTREGAR T1: busca información en libros de la Biblioteca o en Internet

Las estaciones del año. ¿Por qué se producen?

HORIZONTE

22 Diciembre

21Marzo23 Sept iembre

21Junio

SURNORTE

ESTE

OESTE

Eje giro Tierra



MUY IMPORTANTE: USO DE FACTORES DE CONVERSIÓN PARA CAMBIO DE UNIDADES Un cronómetro te da valores de tiempos medidos en segundos y en centésimas de segundo. Así, por ejemplo, puedes medir un tiempo de 14 s y 45 centésimas (45 centisegundos = 45 cs). Para expresar 14 segundos y 45 centésimas de segundo en una cifra sólo habrá que sumar estas cantidades.

14 s y 45 cs = 14 s + 45 cs Para poder efectuar la suma, los dos sumandos deben tener la misma unidad. Por tanto habrá que transformar 14 s en cs (ó 45 cs en s). Para hacer estas transformaciones utilizamos lo que se llama un factor de conversión.

Vamos a pasar 45 cs a s. Para ello, empieza por multiplicar 45 cs por una fracción (que será el factor de conversión): cs 45

Fíjate, la unidad que queremos eliminar está multiplicando a la fracción, por ello, para eliminarla, la ponemos en el denominador de la fracción colocada

cs cs 45

Ahora hay que colocar en el numerador de la fracción la unidad que queremos, en este caso s.

cs s cs 45

Observa que hasta el momento no hemos utilizado ningún conocimiento, sólo hemos utilizado la lógica matemática. Sólo queda colocar en la fracción los números adecuados para que el numerador y el denominador sean iguales: 1 s = 100 cs (también podríamos poner 5 s = 500 cs, pero como verás la relación anterior es más simple).

cs 100 s 1 cs 45

Ahora hay que simplificar, esto es, eliminar el cs de arriba con el cs de abajo y efectuar las operaciones numéricas que quedan reflejadas:

s 0'45 s 10045

100 s 1 45

Por tanto: 14 s y 45 cs = 14 s + 45 cs = 14 s + 0’45 s = 14’45 s A1.10 Efectúa las siguientes sumas:

a) 4 s + 240 cs + 3400 ms b) 10 hs + 40 das + 300 s c) 2 horas + 40 minutos d) 4 min + 45 s + 90 cs

A1.11 Clasifica las siguientes medidas de tiempo de menor a mayor: 1,5 horas 3400 segundos 1 hora y 20 minutos 85 minutos A1.12 Efectúa las siguientes operaciones: 5,3 horas + 3h 20min 30seg + 12500 s = 4 s + 0,06 hs + 3400 ms + 600 cs A1.13 Un mecánico comienza un trabajo a las 10 h 20 min y lo finaliza a las 12 h 45 min. Expresa la duración del trabajo en horas. Si la tarifa por mano de obra es de 28 euros por hora, ¿cuánto debe cobrar por el trabajo realizado?



A1.14 Un ciclista ha invertido 1 h 28 min y 20 s en recorrer una distancia de 75 km. Expresa dicho tiempo en minutos A1.15 Un videoclip comienza cuando el reloj marca 2 horas 57 min 36 s y termina cuando marca 3 horas 5 min y 28 s. Expresa la duración del videoclip en minutos.

ACTIVIDAD DE LECTURA:

RELOJES DE AGUA Y ARENA

Las clepsidras o relojes de agua datan de la antigüedad egipcia y se usaban especialmente durante la noche, cuando los relojes de sombra no servían. Las primeras clepsidras consistieron en una vasija de barro que contenía agua hasta cierta medida, con un orificio en la base de un tamaño suficiente para asegurar la salida del líquido a una velocidad determinada y, por lo tanto, en un tiempo fijo. El cuenco estaba marcado con varias rayas que indicaban la hora en las diferentes estaciones del año (en Egipto se usaban 12 horas de sol y 12 horas de noche). Los relojes de agua también se usaron en los tribunales atenienses para señalar el tiempo asignado a los oradores y cuentan que el filósofo Platón inventó un reloj de agua muy eficiente. Más tarde fueron introducidos en los tribunales de Roma con el mismo objeto, además de usarlos en campañas militares para señalar las guardias nocturnas. El reloj de agua egipcio, más o menos modificado, siguió siendo el instrumento más eficiente para medir el tiempo durante muchos siglos. Los relojes de arena funcionan bajo el mismo

concepto físico de las clepsidras, es decir, permiten que la gravedad haga fluir cierta cantidad de una sustancia pulverizada en un determinado intervalo de tiempo. En este tipo de relojes, la arena se encuentra contenida en un recipiente de vidrio (que consiste en dos vasos comunicados) que se voltea cuando termina de pasar el último grano del material. Con la clepsidra se puede medir la hora concreta puesto que la superficie del agua es horizontal, sin embargo, con el reloj de arena no se puede; sólo sirve para medir lapsos de tiempo determinados según el tamaño del reloj: 2 minutos, 1 hora, etc. El origen de los relojes de arena es incierto, se cree que los ejércitos romanos los utilizaban durante la noche; también se ha dicho que fueron inventados por un monje francés al final del siglo VIII. En esa época, Carlomagno, el rey de los francos, tenía uno tan grande que sólo tenía que voltearse cada 12 horas. Ciertos relojes de arena que marcaban lapsos de 4 horas se usaron durante viajes de navegación para establecer la duración de las jornadas de trabajo dentro del barco. Lee detenidamente el texto anterior y responde a las siguientes cuestiones: 1.- ¿Qué pueblo inventó la clepsidra? 2.- ¿Cuál fue la necesidad que llevó al diseño de la clepsidra? 3.- ¿Cómo funciona una clepsidra? 4.- ¿Duraban las horas de verano lo mismo que en invierno? Explica la razón. 5.- Señala algunos usos de las clepsidras. 6.- ¿En qué se parece el reloj de arena y la clepsidra? 7.- ¿Cuándo se inventó el reloj de arena? 8.- ¿Cuál es la diferencia entre la medida de una clepsidra y la de un reloj de arena?



3.- USO DE FACTORES DE CONVERSIÓN PARA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS Un factor de conversión es una relación entre dos magnitudes (o entre dos medidas, como hemos hecho antes) que se mantiene constante. También se llaman relaciones de equivalencia (un valor equivale al otro). En muchos problemas se dan relaciones de equivalencia. Sólo tienes que leer el enunciado para extraerlas del mismo. En los problemas de cálculo corrientes podemos encontrar muchas relaciones de equivalencia:

El valor de una moneda con respecto a otra (aunque es una relación que cambia según el mercado, en un determinado momento es constante). 1 euro 1'44 dólar (en junio 2011)

El precio de una determinada cantidad de sustancia. Por ejemplo, 1 kg de patatas 0'80 euros. El uso de algunas materias. Por ejemplo, la superficie que se puede pintar con una lata de pintura:

1 lata pintura 5 m2 El espacio que se recorre en un determinado tiempo cuando la velocidad permanece constante. Por ejemplo,

36 km/h quiere decir que 1 hora 36 km. El porcentaje referido a algo en concreto. Por ejemplo, el interés que debemos pagar por un préstamo. Así

un 3% significa que por cada 100 euros prestados debemos pagar 3 euros de interés (además de devolver los 100 euros). 100 euros prestados 3 euros interés

La relación de equivalencia se distingue por una cuestión importante: al duplicar el valor de una de las

magnitudes se duplica el valor de la otra ATENCIÓN: Todas no son relaciones de equivalencia:

El tiempo que tarda un grupo de personas en realizar un trabajo. Si 8 personas tardan 6 días en realizar un trabajo, el doble de personas NO tardarán el doble de tiempo sino la mitad. Esto es un ejemplo de relación inversa que se resuelven de otra forma.

El tiempo que tarda en secarse la ropa. Si 5 sábanas se secan en 2 horas, 10 sábanas tardarán también 2 horas. No hay ningún tipo de relación.

Lo primero que hay que hacer en los problemas es leer el enunciado con atención y distinguir y extraer las relaciones de equivalencia (puede haber varias). Copia claramente estas relaciones:

A1.16 He realizado un trabajo durante 14 horas y he ganado 120 euros. ¿Cuánto cobraré si trabajo 200 horas? La relación de equivalencia es 14 horas 120 euros El problema consiste en convertir 200 horas en euros haciendo uso de la relación anterior: A1.17 Un grifo abierto aporta un caudal de agua de 9 litros/minuto. ¿Qué significa este dato? ¿Cuántos minutos ha de estar abierto el grifo para llenar una garrafa de 180 litros? A1.18 Una moneda está hecha de un material que contiene un 5% de plata. ¿Cuánta plata hay en una moneda que pesa 12 g? A1.19 El cambio euro/dólar está en este momento a razón de 1 euro = 1,14 dólares. ¿Cuánto tengo que pagar por un aparato que cuesta 180 dólares? A1.20 Un cuerpo se mueve de forma uniforme recorriendo 25 metros cada 2’0 minutos. ¿Qué espacio recorrerá en 2 horas 45 min y 50 s?

euros 1.714 horas 14euros 120horas 200



A1.21 Una máquina embotelladora llena 100 botellas en 15 minutos. ¿Cuánto tiempo tardará en llenar 20 cajas que contienen 12 botellas por caja? Hay dos relaciones de equivalencia: 100 botellas 15 minutos y 1 caja 12 botellas El problema es convertir 20 cajas en minutos A1.22 Compramos el litro de aceite a 3’10 euros y lo vendemos en raciones de 5 mL para tostadas que vendemos a 30 céntimos. a) ¿Cuántas raciones podremos sacar? b) ¿Qué beneficio se obtiene de un litro de aceite? Tenemos las siguientes relaciones de equivalencia: 1 L aceite 3'10 euros // 1 L aceite 1000 mL aceite // 1 ración 5 mL aceite 0'30 euros En a) hay que convertir 1 L aceite a raciones. En b) hay que convertir 1 L aceite a euros y calcular las ganancias. A1.23 Un vehículo se mueve con una rapidez de 100 km/h. a) ¿Qué significa este dato? b) Expresa dicha magnitud en m/s. c) Determina el espacio recorrido en 20 minutos (suponiendo que la rapidez se mantiene constante durante todo ese tiempo). A1.24 Un coche que marcha a 100 km/h recorre cierta distancia en 20 minutos. a) ¿Cuál es la distancia recorrida? b) ¿Cuánto tiempo tardará en recorrerla si marcha a 80 km/h? A1.25 Un camión cuya carga es 2.000 kg tiene que dar 5 viajes para transportar cierta cantidad de material. ¿Cuántos viaje debe dar otro camión que puede cargar 2.500 kg? (Atención a la relación). A1.26 Mantienes una cantidad de 1.200 euros (se llama depósito) en una cuenta durante un año al interés del 2'4% anual. a) ¿Qué interés te produce el depósito al cabo del año? b) ¿Cuánto dinero tienes al finalizar el año? c) ¿Cuánto tendrás al cabo de un segundo año si dejas todo el dinero en depósito? A1.27 El quilate (Kilate en Alemanio y USA) es una medida utilizada para designar la pureza del oro. Así al oro puro se le asigna el valor 24 quilates pero no sirve para joyería (se rompe fácilmente). Un oro de 16 quilates tiene 16 partes de oro y 8 de otro metal. El oro blanco contiene 18 partes de oro y 6 partes de un metal llamado paladio. a) Calcula la masa de oro que hay en una joya de oro blanco de 18 quilates y masa 15 g. b) ¿Qué masa de palacio contiene la joya? A1.28 El oro amarillo de 18 quilates contiene, además, 3 quilates de plata y 3 quilates de cobre. El precio del oro está en este momento en 1.819 euros/onza (1 onza = 28'35 g). ¿Cuál es el precio de un anillo de oro de 18 quilates que pesa 3'50 g? A1.29 La unidad quilate referida a las gemas es una medida de masa de forma que 1 quilate = 200 mg de gema. El diamante sin tallar de la imagen pesaba 2'40 quilates y se vendió en 11.500 dólares. ¿Cuál será el precio de un diamante que pese 3'00 g? Exprésalo en euros.

4.- LONGITUD LA LONGITUD: se define como la distancia entre dos puntos. La unidad en el S.I. (SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES) es el metro (m), fijado desde 1983 como la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1 / 299.792.458 segundos (en otras palabras, en 1 s la luz recorre 299.792.458 m, aunque solemos tomar el valor redondeado de 300.000.000 m, es decir, 300.000 km). A efectos prácticos disponemos de los conocidos múltiplos y divisores: 1 kilómetro (km) = 1000 m 1 m = 10 decímetro (dm) 1 hectómetro (hm) = 100 m 1 m = 100 centímetro (cm) 1 decámetro (dam) = 10 m 1 m = 1000 milímetro (mm)



La Ciencia y la Tecnología nos han permitido explorar el mundo de lo muy pequeño y de lo muy grande de forma que en estas escalas utilizamos otras unidades:

ESCALA ATÓMICA: angström ( Ao ) 1 m = 10.000.000.000 Aº ESCALA CELULAR: micra () 1 m = 1.000.000 ESCALA PLANETARIA: unidad astronómica (distancia media Tierra - Sol, igual a 149.597.910 km) ESCALA GALÁCTICA: año luz (distancia recorrida por la luz en un año)

A1.30 Sabiendo que la distancia media entre el Sol y la Tierra es de unos 150.000.000 km ¿cuánto tiempo tardará en llegar a nosotros la luz que sale del Sol? A1.31 Calcula la distancia, en km, de una estrella cuya luz tarda 8 años en llegar a nosotros. A1.32 Clasifica las siguientes longitudes de menor a mayor:

8500 cm 45 m 0,67 km 15900 mm A1.33 Efectúa la siguiente suma: 340 cm + 0,48 m + 1300 mm A1.34 La distancia entre dos puntos es 4 km 3 hm 8 dam y 9 m. Expresa dicha distancia en: a) km b) dam c) m d) hm A1.35 La tubería que hay que colocar en un edificio mide 1 hm 2 dam y 6 m. Si el precio por metro de tubería es 2,30 euros, ¿cuánto costará la tubería completa? RECUERDA: El cociente entre el perímetro de un círculo (esto es, la longitud de la circunferencia) y el diámetro del mismo es un número con una cantidad de cifras decimales ilimitada. Lo llamamos PI () y tiene el siguiente valor:

r . 2 . d . L 359......3.14159265 diámetro

nciacircunfere longitud

donde L es la longitud de la circunferencia, d es el diámetro y r es el radio (la mitad del diámetro). A1.36 Calcula la longitud de la órbita terrestre (suponiendo que es circular con un radio medio de 149’6 millones de kilómetros). A1.37 ¿Qué radio debe tener una circunferencia para que su longitud sea 20 m? A1.38 Dibuja un cuadrado de 2 m de lado a escala en tu cuaderno. ¿Cuál es el radio de la mayor circunferencia que puedes dibujar dentro del cuadrado? ¿Cuánto vale la longitud de dicha circunferencia? A1.39 Una carretera mide 30 km 8 hm 6 dam y 6 m. Se van a plantar árboles en los márgenes de la carretera de manera que se encuentren a una distancia, uno de otro, de 10 m. ¿Cuántos árboles será necesario comprar? A1.40 Un tendido eléctrico mide 35 km 4 hm 7 dam y 4 m. Cada 100 m es necesario colocar una torreta metálica.

a) ¿Cuántas torretas serán necesarias? b) ¿Cuánta distancia queda por cubrir una vez que se han colocado 200 torretas?



A1.41 La diagonal de una página mide 2 dm 5 cm y 8 mm. Expresa dicha longitud en: a) dm b) cm c) m d) mm

A 1.42 Efectúa las siguientes operaciones: a) 23 dm + 2 m + 345 cm + 890 mm b) 3 m + 15 dm + 0'05 dam + 0'003 km + 45'6 cm A1.43 La rueda delantera de una bicicleta mide 76 cm de diámetro y la trasera 70 cm. ¿Cuántas vueltas dan en un recorrido de 15 km?

Pista: debes calcular el recorrido equivalente a una vuelta de cada rueda. Con esta relación de equivalencia debes convertir 15 km en vueltas.

MEDIDAS DE LONGITUD: El calibre 1: Regla milimetrada fija para medir 2: Rueda para mover la regla móvil 3 3: Regla móvil dividida en 100 partes (centésimas) 4: Pieza que vamos a medir 5: Para medir diámetros internos 6: Reglas para unidad inglesa pulgada El 0 de la regla móvil te marca los milímetros de la medida. Las centésimas se determinan por la primera marca de la regla móvil que coincide exactamente con una división de la regla fija (en este caso es 00) Actividad práctica: medir con calibre las

dimensiones de algunos objetos (prisma, cilindro y esfera) para poder calcular posteriormente su volumen. PRISMA: Lado a: ________ Lado b: _________ Lado c: _________ CILINDRO: Altura: _________ Diámetro base: __________ ESFERA: Diámetro: _________

APLICACIÓN DEL TEOREMA DE PITÁGORAS para el cálculo de longitudes.

Recuerda que: Es una relación sólo válida en triángulos rectángulos La hipotenusa es el lado más grande del triángulo H2 = A2 + B2

Debes saber calcular raíces cuadradas de forma aproximada

EJERCICIO RESUELTO: El triángulo de la figura es rectángulo y sus catetos miden 3 m y 2 m. ¿Cuánto medirá la hipotenusa a?

Debe cumplirse que la suma de los cuadrados de los catetos es igual al cuadrado de la hipotenusa, es decir:

32 + 22 = a2 9 + 4 = a2

Ángulo recto

Hipotenusa H

2 m

3 m

a



13 = a2

13 a m : entre 3 y 4 m. Aproxima a un decimal.

En este segundo caso, la hipotenusa mide 6 m y un cateto mide 4 m. El problema es determinar el valor del otro cateto.

42 + a2 = 62 16 + a2 = 36 a2 = 36 - 16

a2 = 20 20 a m : entre 4 y 5 m. Aproxima a un decimal.

A1.44 Un rectángulo tiene las siguientes dimensiones: ancho = 6 m largo = 10 m ¿Cuánto mide la diagonal del rectángulo? A1.45 Los lados de un triángulo equilátero miden 20 cm. ¿Cuánto mide la altura? A1.46 El perímetro de un triángulo equilátero mide 30 cm. ¿Cuál es la altura del triángulo? A1.47 Un cuadrado tiene una diagonal que mide 4 m. ¿Cuánto mide el lado?

5.- MASA LA MASA: Usualmente se define como la cantidad de materia de un cuerpo, aunque resulta más fácil relacionar la masa de un cuerpo con dos conceptos de fácil comprobación:

La INERCIA o dificultad para mover un cuerpo que se encuentra quieto El PESO o fuerza de atracción entre el cuerpo y la Tierra.

La unidad de masa en el S.I. es el kilogramo (kg), definido inicialmente como la masa de 1000 cm3 de agua (medidos a 4 C) y, posteriormente, como la masa de cierto cilindro de aleación de iridio y platino conservado en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, localizado en Sèvres, Francia. Es la única unidad definida mediante un objeto. A efectos prácticos disponemos de los conocidos múltiplos y divisores: 1 kilogramo (kg) = 1000 g 1 g = 10 decigramo (dg) 1 hectogramo (hg) = 100 g 1 g = 100 centigramo (cg) 1 decagramo (dag) = 10 g 1 g = 1000 miligramo (mg)

MEDIDAS DE MASA: Uso de la balanza virtual de Iniciación Interactiva a la Materia de Mariano Gaite Cuesta Inicia la aplicación y entra en PROPIEDADES y elige la pestaña MASA. Realiza todas las actividades anotándolas en tu cuaderno. Después pasa a la pestaña PROBLEMA para medir masas de líquidos.

4 m6 m

a



A1.48 Clasifica las siguientes medidas de menor a mayor: 3,4 g 0’023 kg 420 cg 0,056 hg A1.49 Un anillo de oro tiene una masa de 2 g 4 dg y 9 cg. Si el precio del oro es 22,30 euros por gramo, ¿cuánto costará el anillo? A1.50 Una tonelada equivale a 1000 kg. Expresa 5 ton en:

hg dag dg g A1.51 Un barco puede cargar 200.000 ton de trigo. Se encarga la tarea de carga a una cooperativa que dispone de 15 camiones con carga de 8000 kg. ¿Cuántos portes debe efectuar cada camión?

Pista: Debes convertir 200.000 ton a portes usando las relaciones de equivalencia que aparecen y después calcular la relación portes/camión A1.52 Una cinta transportadora suministra 50 kg de trigo por minuto. ¿Cuánto tardará en cargar un camión con carga de 12.000 kg? Expresa el tiempo en minutos y en horas.

Pista: conversión de 12.000 kg a minutos A1.53 Un paquete de folios pesa 450 g. Si un folio tiene una masa de 5 g ¿cuántos folios hay en el paquete?

6.- SISTEMAS DE UNIDADES Una unidad es un patrón elegido para comparar el valor de una determinada magnitud. Un sistema de unidades es un conjunto elegido de unidades. Existen varios sistemas de unidades pero dos de ellos destacan sobre todos: SISTEMA INTERNACIONAL: De uso obligado en todos los documentos como proyectos o informes. SISTEMA CEGESIMAL (cgs): De uso cotidiano en las medidas efectuadas en el Laboratorio. Las unidades elegidas para las magnitudes fundamentales se representan en el cuadro siguiente: MAGNITUDES FUNDAMENTALES SISTEMA INTERNACIONAL SISTEMA CEGESIMAL (cgs) Longitud metro (m) centímetro (cm) Masa kilogramo (kg) gramo (g) Tiempo segundo (s) segundo (s) A1.54 Expresa las siguientes medidas en el sistema internacional y en el sistema cegesimal:

240 hg 3 h 20 min 2300 cm 350 dag

7.- EL VOLUMEN DE LOS CUERPOS EL VOLUMEN: Es el espacio ocupado por un cuerpo.

NO DEBES CONFUNDIRLO CON LA MASA (es la cantidad de materia del cuerpo y se mide por medio de la balanza)

El volumen de los cuerpos se puede medir o calcular. Sólo se puede calcular el volumen de un cuerpo si tiene forma geométrica. Los más conocidos y simples son los representados en la figura. El volumen de los dos primeros es fácil de calcular:

Volumen prisma y cilindro = ÁREA DE LA CARA BASE x ALTURA (el área de la cara base en el prisma es b . c y en el cilindro es π . r2)

Volumen de la esfera = 4 . π . r3/3



ATENCIÓN: El volumen de estos cuerpos está limitado por superficies. En el caso de la esfera, la superficie de la bola se calcula por la fórmula

S = 4 . π . r2 La superficie de las caras de un prisma o de un cilindro la puedes deducir si desarrollas ambas figuras en el plano (desmonta las caras y mira las dimensiones que tienen). ACTIVIDAD PAPA PENSAR (y entregar en folio, además de reflejarlo en el cuaderno): Desmonta mentalmente el prisma rectangular y el cilindro y dibuja las piezas que los componen. Señala las medidas de dichas piezas y calcula la superficie de todas las caras.

ALGUNOS EJERCICIOS CON SUPERFICIES: A1.55 Un depósito cilíndrico tiene 16 m de altura y 3,2 m de diámetro y se desea pintar por fuera. Para ello se utiliza una pintura que cuesta 2’50 Euros/m2. ¿Cuánto costará la pintura necesaria? A1.56 Un cuadrado de 5 cm de lado de cierto material tiene una masa de 10 g. ¿Qué masa tendrá un círculo del mismo material y de radio 30 cm? A1.57 En una tarde de lluvia caen 40 litros por metro cuadrado ( 40 L/m2). ¿Cuánta agua ha caído en un patio rectangular de 30 m de ancho y 60 m de largo? A1.58 Una plancha de cartón de forma irregular tiene una masa de 230 g. Se recorta un cuadrado de 3 cm de lado y se pesa dando una masa de 2 g. ¿Cuál es la superficie de la plancha de cartón? A1.59 Un rollo de papel pesa 6'50 kg. Una pieza del mismo papel de 20 cm de ancho y 1'50 m de alto tiene una masa de 50 g. ¿Cuántos m2 de papel contiene el rollo?

UNIDADES DE VOLUMEN: Si te fijas en las fórmulas que se usan para calcular los volúmenes de las figuras anteriores, verás que en todas se obtiene una longitud elevada a tres (longitud al cubo):

PRISMA: lado x lado x lado CILINDRO: altura x radio2 ESFERA: radio3

Por ello la unidad de volumen en el sistema internacional es el m3. En el sistema cegesimal es el cm3.

EL CUBO ES UN PRISMA RECTANGULAR QUE TIENE TODOS SUS LADOS IGUALES

m3: espacio ocupado por un cubo cuyo lado mide un metro. dm3: espacio ocupado por un cubo cuyo lado mide 1 dm

Las equivalencias entre múltiplos o submúltiplos de volumen son las correspondientes a las longitudes elevadas al cubo

1 km3 = 1000 hm3 1 m3 = 1000 dm3 1 hm3 = 1000 dam3 1 dm3 = 1000 cm3 1 dam3 = 1000 m3 1 cm3 = 1000 mm3



A1.60 Escribe las siguientes equivalencias: 1 cm3 = mm3 1 hm3 = dm3 1 km3 = dam3 1 m3 = cm3 A1.61 Clasifica las medidas siguientes de menor a mayor: 2 m3 2300000 cm3 0’00000000045 km3 2500 dm3 A1.62 ¿Qué volumen es mayor, 200 cm3 ó 0'3 dm3? A1.63 Calcula el volumen de una caja cuyas dimensiones son las siguientes: largo: 20 cm ancho: 15 cm alto: 10 cm A1.64 ¿Cuál es el volumen de un cilindro que tiene 15 dm de alto y un diámetro de 6 dm?

EL LITRO: UNA UNIDAD DE VOLUMEN MUY UTILIZADA Para medir volúmenes de fluidos (líquidos y gases) se utiliza con mucha frecuencia una unidad que no corresponde al S.I.: el litro, definido como el volumen ocupado por un kilogramo de agua a la temperatura de 4 C, por lo que en esencia un litro equivale a 1 dm3. El litro también tiene divisores y múltiplos que van de diez en diez:

kL, hL, daL, L, dL, cL y mL A1.65 ¿Qué volumen es mayor: 1 cm3 ó 1 ml? A1.66 Expresa las siguientes medidas en el S.I.: 20 cm3 4 L 2500 mL 40 dL 0,9 hL A1.67 Una piscina tiene almacenados 2 dam3 de agua. ¿Con cuántos cubos de 30 litros podría vaciarse?

Pista: convertir 2 dam3 a cubo con la relación de equivalencia 1 cubo = 30 L A1.68 Una cuba de aceite de dimensiones 2 m x 2 m x 1 m se encuentra llena de aceite. ¿Cuántas garrafas de 25 litros se podrán llenar con el aceite de la cuba? A1.69 Diez gotas de agua suponen un volumen de 1 mL. Un grifo gotea a razón de 12 gotas por minuto. ¿Qué cantidad de agua se pierde por el goteo en un día?

Pista: Debes convertir 1 día en mL con las relaciones que hay en el ejercicio A1.70 Una piscina mide 10 m de largo y 6 m de ancho. Se desea llenar con un grifo que aporta 15 litros por minuto. ¿Cuánto tiempo tardará el agua en alcanzar una altura de 1 m?

Pista: Convierte el volumen de agua que hay en la piscina con 1 m de altura en minutos A1.71 En una tarde de lluvia caen 40 litros por metro cuadrado (40 L/m2). ¿Cuánta agua ha caído en un patio rectangular de 30 m de ancho y 60 m de largo?

A1.72 Una arroba equivale a 16 litros. ¿Cuántas garrafas de 1 arroba se pueden llenar con el contenido de un depósito circular que tiene un diámetro de 10 m y una altura de 6 m?



A1.73 Una población tiene 35.000 habitantes. El consumo medio de agua por habitante es de 200 litros por día. La población se abastece de un pantano que contiene 2 hm3 de agua. ¿Para cuántos días está asegurado el suministro necesario?

Pista: Debes convertir 2 hm3 agua en días con las relaciones que hay en el enunciado

A1.74 Una piscina cuya capacidad es 150 m3 se nutre de agua con un grifo que cuando está abierto tiene un caudal de 18 L/min. a) ¿Cuánto tiempo tardará en llenarse la piscina con el grifo abierto? b) ¿Qué volumen de agua tendrá cuando hayan pasado 2 horas? A1.75 Calcula el volumen de las piezas que se midieron con la ayuda del calibre. MEDIDAS DE VOLUMEN: Uso de la probeta virtual de Iniciación Interactiva a la Materia de Mariano Gaite Cuesta Inicia la aplicación y entra en PROPIEDADES y elige la pestaña VOLUMEN. Realiza todas las actividades anotándolas en el cuaderno.


ARQUÍMEDES Y LA CORONA DE HIERÓN Hierón II, rey de Siracusa en el siglo III a.C. y pariente de Arquímedes, tenía suficiente confianza en él para plantearle problemas aparentemente imposibles. Cierto orfebre le había fabricado una corona de oro. El rey no estaba muy seguro de que el artesano hubiese obrado rectamente; podría haberse guardado parte del oro que le habían entregado y haberlo sustituido por plata o cobre. Así que Hierón encargó a Arquímedes averiguar si la corona era de oro puro [...] . Arquímedes no sabía qué hacer. El cobre y la plata eran más ligeros que el oro. Si el orfebre hubiese añadido cualquiera de estos metales a la corona, ocuparían un espacio mayor que el de un peso equivalente de oro. Conociendo el espacio ocupado por la corona (es decir, su volumen) podría contestar a Hierón, lo que no sabía era cómo averiguar el volumen de la corona. Arquímedes siguió dando vueltas al problema en los baños públicos.[...] De pronto se puso en pie como impulsado por un resorte: se había dado

cuenta de que su cuerpo desplazaba agua fuera de la bañera. El volumen de agua desplazado tenía que ser igual al volumen de su cuerpo. Para averiguar el volumen de cualquier cosa bastaba con medir el volumen de agua que desplazaba. [...]



Arquímedes corrió a casa, gritando una y otra vez: "¡Lo encontré, lo encontré!". Llenó de agua un recipiente, metió la corona y midió el volumen de agua desplazada. Luego hizo lo propio con un peso igual de oro puro; el volumen desplazado era menor. El oro de la corona había sido mezclado con un metal más ligero, lo cual le daba un volumen mayor. El rey ordenó castigar al orfebre.

Lectura del libro "Momentos estelares de la ciencia" de Isaac Asimov Lee el texto con atención y responde a las siguientes cuestiones:

1) Señala las palabras que no conozcas para averiguar significados. 2) ¿Cuántos años hace de esta historia? 3) ¿Cuál era el problema que tenía Hierón? 4) ¿Cómo podía encontrar Arquímedes la solución al problema? 5) ¿Qué dificultad tenía Arquímedes? 6) ¿Cómo obtuvo la solución al problema? 7) Explica el significado de la frase “El cobre y la plata son más ligeros que el oro”.

UNA PROPIEDAD FUNDAMENTAL DE LA MASA: SE CONSERVA Vamos a realizar en el laboratorio la siguiente experiencia:

Pesamos una probeta de 100 mL vacía. Echamos 50 mL de agua destilada con ayuda de la probeta y pesamos el conjunto para medir la masa de

los 50 mL de agua. Repetimos las medidas con otra probeta de 100 mL y 50 mL de alcohol puro (absoluto). Mezclamos el contenido de las dos probetas y agitamos con cuidado para no derramar el líquido. Medimos el volumen de la mezcla. Medimos la masa de todo el conjunto.

ANOTA EN TU CUADERNO LA ACTIVIDAD Y RESPONDE: ¿Qué ha pasado con el volumen de la mezcla? ¿Y con la masa?

8.- PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE LA MATERIA

Tienes 5 trozos de hierro en tus manos. La masa y el volumen de cada trozo depende de lo grande que sea. Midiendo la masa de cada trozo con la balanza y su volumen con la probeta encontramos los siguientes datos:

HIERRO Trozo 1 Trozo 2 Trozo 3 Trozo 4 Trozo 5 Masa en g 152 48 346 205 649 Volumen en cm3 19'2 6'1 43'8 25'9 82'2 Cociente m/V en g/cm3

La masa y el volumen se llaman propiedades extensivas porque dependen de la extensión que tenga el cuerpo. Pero si divides la masa de cada trozo entre su volumen observarás algo importante. ¿Qué resultado obtienes? Repite la operación con 5 trozos de aluminio:



ALUMINIO Trozo 1 Trozo 2 Trozo 3 Trozo 4 Trozo 5 Masa en g 81 43 165 220 425 Volumen en cm3 30'0 15'9 61,1 81'5 157'4 Cociente m/V en g/cm3

El cociente m/V no depende de lo grande que sea el trozo, es igual para todos ellos (siempre que estén formados por el mismo material). Este cociente es una propiedad característica de cada sustancia y se denomina DENSIDAD. Las sustancias puras sólidas o líquidas tienen densidades prácticamente constantes, aunque varían un poquito con la temperatura (el volumen de los cuerpos aumenta con la temperatura, se dilatan). En las mezclas las densidades dependen de la proporción de cada sustancia.

DETERMINACIÓN DE DENSIDADES: Uso de la balanza y probeta virtuales de Iniciación Interactiva a la Materia de Mariano Gaite Cuesta Anota todas las actividades en tu cuaderno

A1.76 María quiere identificar un trozo de mineral que se ha encontrado en el campo. Para ello necesita medir la masa y el volumen del mismo. a) Explica cómo puede medir ambas propiedades. b) Una vez que conoce la masa y el volumen del trozo de mineral, ¿qué propiedad puede usar para identificar el mineral? A1.77 5’0 g de una sustancia A ocupan un volumen de 2’0 cm3 mientras que 350 g de otra sustancia B ocupan un volumen de 100 mL. ¿Cuál de las dos sustancias tiene una densidad mayor? A1.78 Las unidades de masa y volumen se han definido de forma que la densidad del agua pura resulte 1 g/cm3. a) ¿Cuánto pesan 250 mL de agua pura? b) ¿Qué volumen ocupan 500 g de agua? c) Una botella que pesa 80 g en vacío se llena de agua resultando una masa de 830 g. ¿Cuál es la capacidad de la botella? d) Esa misma botella se llena con un aceite resultando una masa de 730 g. ¿Cuál es la densidad del aceite?

Densidades medias de algunas sustancias en kg/m3

Aceite Acero Agua (4ºC)

Agua de mar

Aire Alcohol etílico

Aluminio Carbono Cobre Cuerpo humano

920 7850 1000 1027 1,2 780 2700 2260 8960 950 Diamante Gasolina Hielo Hierro Madera Mercurio Oro Plata Piedra

pómez Platino

1320 680 980 7874 600-900 13580 19300 10490 700 21450 Plomo Poliuretano Sangre Planeta

Tierra Vidrio

11340 40 1060 5515 2500



La densidad de la acetona es 0,79 g/cm3, esto significa que 0,79 g de acetona ocupan 1 cm3. Para calcular, por ejemplo, el volumen que ocupan 25 g de acetona se puede utilizar dicha relación de equivalencia:

¿Qué masa hay en 30 cm3 de aluminio? (densidad del aluminio = 2,7 g/cm3)

A1.79 Pepe dispone de una probeta y echa agua hasta la señal de 40 mL. A continuación sumerge un trozo de hierro en el agua y el nivel de la probeta sube hasta los 60 mL. ¿Cuánto vale la masa del trozo de hierro sabiendo que la densidad del hierro es 7’9 g/cm3? A1.80 La densidad de la gasolina es 0’7 g/mL. a) ¿Cuánto pesan dos litros de gasolina? b) Un recipiente que pesa en vacío 300 g se llena con gasolina resultando una masa de 2.400 g. ¿Qué volumen de gasolina cabe en el recipiente? A1.81 ¿Cuál es la masa de 20 cm3 de alcohol? ¿Qué volumen ocupan 30 g de alcohol? A1.82 ¿Cuál es la masa de 20 cm3 de hierro? ¿Qué volumen ocupan 30 g de hierro? A1.83 La densidad del aceite es 0'9 g/cm3. ¿Qué significa este dato? ¿Cuál es la masa de un litro de aceite? ¿Cuál es el volumen de 11 kg de aceite? A1.84 ¿Qué pesa más 5 cm3 de agua o 5 cm3 de alcohol? A1.85 De los siguientes enunciados, ¿cuáles son falsos?: (Explica las respuestas)

a) Un litro de agua pesa más que un litro de aceite. b) Un kilogramo de hierro pesa más que un kilogramo de agua. c) Una gota de aceite tiene menor densidad que un litro del mismo aceite. d) 1000 cm3 de hierro pesan más que 6000 g de plomo. e) Medio litro de mercurio pesa más que seis litros de agua. f) Un kilogramo de gasolina no cabe en una botella de un litro.

Para responder a las cuestiones anteriores debes tener en cuenta que no se puede comparar masa con volumen. Hay que comparar masa con masa y volumen con volumen. Si los datos corresponden a la misma magnitud se pueden comparar (cuidando de expresarla en las mismas unidades). En caso de que se trate de magnitudes diferentes habrá que efectuar los cálculos correspondientes con la densidad como factor de conversión. A1.86 Juan compra 500 kg de aceite a razón de 2’00 euros por kg y lo vende a 3’00 euros el litro. ¿Cuál es el beneficio de la operación? A1.87 Un litro de aire tiene una masa de 1'2 g. ¿Qué volumen de aire hay en una habitación que mide 10 m de largo, 6 m de ancho y 3 m de alto? ¿Cuál es la masa de todo el aire contenido en la misma? A1.88 Un bidón que pesa en vacío 20 kg, contiene 200 litros de aceite cuya densidad es 0'85 g/cm3. ¿Cuál es la masa de todo el aceite que contiene? ¿Cuánto aceite le queda cuando pesa 120 kg? A1.89 La densidad del oro es 19'3 g/cm3. ¿Qué significa este dato? ¿Cuál es el volumen de un anillo de oro que tiene una masa de 2 g? A1.90 Una barra de plata de 8 dm3 pesa 83'76 kg. ¿Cuál es la densidad de la plata? ¿Cuál es la masa de un objeto de plata con un volumen de 25 cm3?

acetona cm 31,6 acetona g 0,79acetona cm 1acetona g 25 3

3

alumnio g 81 aluminio cm 1aluminio g2,7 aluminio cm 30 3

3



A1.91 Una probeta contiene agua hasta la señal de 60 mL. Al sumergir un trozo de hierro, el nivel sube hasta los 72 mL. ¿Qué volumen ocupa el trozo de hierro? ¿Cuál es su masa? A1.92 Una varilla cuadrada de hierro tiene un grosor de 12 mm. ¿Cuál es el volumen que ocupan 2 m de varilla?. ¿Cuánto cuesta la varilla si el kilogramo de varilla se vende a 1’50 euros? A1.93 ¿Cuál es el peso de una chapa de hierro de 2 mm de grosor, 2 m de larga y 1'5 m de ancho? A1.94 Una supuesta cadena de oro tiene una masa de 3 g. Al echarla en una probeta con agua, el nivel del líquido sube en 25 cm3. ¿Qué se puede decir de la cadena? A1.95 En un platillo de una balanza ponemos 240 mL de alcohol y en el otro 5 g de cobre. Explica si estará o no equilibrada esta balanza. En caso negativo calcula qué masa y qué volumen de mercurio habría que poner (y dónde) para restablecer el equilibrio. A1.96 Un alumno dispone de dos probetas iguales con la misma cantidad de agua. En una de ellas introduce un cilindro de acero de 10 cm de altura y 4 cm de radio, en la otra introduce una esfera de bronce de 6 cm de radio. ¿En qué probeta el agua alcanzará mayor altura? ¿Qué probeta pesará más? A1.97 En una tienda el litro de aceite cuesta 2’30 euros. En otra, por esa cantidad de dinero nos ofrecen un kilogramo del mismo aceite. ¿En qué tienda interesa comprar? A1.98 Tenemos una sustancia A de densidad 1,2 g/mL y sustancia B de densidad 3,2 g/mL.

a) Si escogemos 10 g de cada una, ¿cuál ocupará un volumen mayor? b) ¿Es cierto que 3 litros de la sustancia A ocupa más volumen de 2 litros de la sustancia B? c) ¿Cuánto pesará un 1 kg de cada sustancia? ¿Qué densidad tendrá cada uno de esos kilos? d) Si ponemos 25 g de la sustancia A en el platillo de una balanza, ¿qué volumen de B habría que

poner en el otro para que el conjunto quede equilibrado? e) ¿Qué pesaría más: 100 ml de agua o 100 g de B?

A1.99 Un depósito de forma cilíndrica con 6 m de altura y 2 m de radio se encuentra lleno de aceite. Con el contenido del depósito se llenan garrafas de 5 litros.

a) ¿Cuántas garrafas se han vendido al llegar el nivel de aceite a los 2 m? b) Si se le añaden en ese momento 20.000 kg de aceite al depósito, ¿cuál será el nuevo nivel del

aceite? A1.100 El Iridio (Ir) es uno de los metales más denso (22,65 g/cm3). Es muy duro y por eso se usa en la fabricación de plumas estilográficas. En Internet encontramos que el precio de dicho metal es de 476 dólares/onza. Sabiendo que una onza equivale a 28,35 g y que un euro se cambia a 1,14 dólares calcula el valor (en euros) de un trozo de iridio cuyo volumen es 24 cm3.

ACTIVIDAD DE LECTURA: El 23 de Septiembre de 1999 la sonda espacial Mars Climate, enviada por la NASA para mantenerse en órbita marciana y estudiar el clima del planeta, se estrelló en Marte y quedó completamente destruida. La sonda fue construida con el fin de convertirse en un satélite del planeta Marte y así poder estudiar la atmósfera y la superficie del planeta rojo. Además, debía proporcionar información y servir de estación de comunicaciones para apoyar la aproximación y el "aterrizaje" en Marte, unos meses más tarde, de la misión Mars Polar Lander. Para todo ello, la sonda Mars Climate fue lanzada 10 meses antes, con un coste global valorado en unos 125 millones de dólares.



Según los datos que proporcionó la NASA, en la construcción, programación de los sistemas de navegación y lanzamiento de la sonda espacial participaron varias empresas. En concreto la Lockheed Martin Astronautics de Denver fue la encargado de diseñar y construir la sonda espacial, mientras que la Jet Propulsion Laboratory de Pasadena fue la encargada de programar los sistemas de navegación de la sonda. Pero resulta que los dos laboratorios no trabajaban de la misma manera, el primero de ellos realizó sus medidas y proporcionó sus datos con el sistema anglosajón de unidades (pies, millas, libras, ....) mientras que el segundo utilizó el Sistema Internacional de unidades (metros, kilómetros, kilogramos, ...). Así parece que el primero de ellos realizó los cálculos correctamente utilizando el sistema anglosajón y los envío al segundo, pero en los datos que proporcionó iban sin especificar las unidades de medida utilizadas, de tal forma que el segundo laboratorio utilizó los datos numéricos que recibió pero los interpretó como si estuvieran medidos en unidades del Sistema Internacional. El resultado fue que los ordenadores de la nave realizaron los cálculos de aproximación a Marte de una forma errónea, por lo que la nave quedó en una órbita equivocada que provocó la caída sobre el planeta y su destrucción al chocar con la atmósfera marciana. 1.- Averigua qué es una sonda espacial 2.- ¿Cuáles eran las misiones de la sonda Mars Climate? 3.- ¿Cuál fue la razón del desastre? 4.- ¿Cuál es el mensaje que se quiere dar con el texto? 5.- ¿Crees que el dinero invertido en Astronáutica se podría dedicar mejor a otras cosas?

Física y Química Básica para ESO: 02 Materia y Energía


MATERIA Y ENERGÍA

1.- LA ENERGÍA: CAUSA DE LOS CAMBIOS El Universo no es estático. Es decir, el estado del mismo cambia con el tiempo. Todos los cuerpos que forman el Universo (a cualquier escala) están en constante cambio. Algunos cambios ocurren de manera muy rápida y otros de forma muy lenta (tan lenta que puede dar sensación de permanecer inmutable en el tiempo). A2.1 Pon cuatro ejemplos de cambios en la naturaleza que ocurran de manera muy rápida y cuatro que ocurran de manera muy lenta. En todos los cambios que sufre la materia interviene algo que hemos llamado ENERGÍA. De alguna manera la materia tiene energía. Esta energía puede pasar de unos cuerpos a otros dando lugar a los cambios (también llamados PROCESOS). No sabemos lo que es la energía. Pero sabemos que en todos los procesos tiene lugar un intercambio de ella. Algunos procesos requieren energía (ENDOTÉRMICOS) y otros la desprenden (EXOTÉRMICOS).

Utilizamos procesos exotérmicos para obtener la energía necesaria para realizar procesos endotérmicos A2.2 Pon cuatro ejemplos de procesos endotérmicos y cuatro de procesos exotérmicos. Si tienes dificultades para responder no te preocupes, a lo largo de este tema irás distinguiendo unos de otros. La energía obtenida en un proceso exotérmico puede recibir nombres diferentes según el proceso de que se trate: energía mecánica, energía química, energía eléctrica, energía gravitatoria, etc. A lo largo de los diferentes cursos de Física y Química iremos estudiando cada una de las manifestaciones de esta magnitud.

2.-ÁTOMOS, MOLÉCULAS Y FOTONES


“Por convención hay color, hay lo dulce y hay lo amargo, pero, en realidad, sólo hay átomos y espacio.” Demócrito, filósofo griego, h.460-400 A.C.

A principios del siglo XX los físicos comprobaron que la materia está formada por tres partículas elementales llamadas electrones, protones y neutrones. Además de la masa también se descubrió que los electrones y protones tienen otra propiedad fundamental de la materia que se llamó CARGA. Se comprobó que había dos tipos de carga y se las llamó negativa y positiva. Cargas del mismo signo se repelen entre sí y cargas de distinto signo se atraen. Al electrón se le asignó carga negativa y al protón carga positiva. Los protones, neutrones y electrones se combinan entre sí para formar los ÁTOMOS.



Protones y neutrones se concentran en una zona muy pequeña llamada núcleo atómico (diez mil veces más pequeña que el propio átomo). Los electrones se encuentran en capas concéntricas alrededor del núcleo. Aunque no sabemos la forma que tienen estas partículas, las representamos por bolitas. Entre el núcleo y las capas de electrones no hay nada, sólo hay espacio. El átomo está casi completamente hueco, casi todo es vacío. En estos niveles la carga es más importante que la masa. Representamos el átomo por bolas, pero son bolas de carga no de masa. Los átomos se unen entre sí formando redes tridimensionales o formando combinaciones independientes llamadas MOLÉCULAS. Las moléculas interaccionan con nuestros sentido del gusto y nos producen sensaciones llamadas sabores: dulce, salado, ácido y amargo. Si interaccionan con nuestro olfato nos producen olores. Una molécula no tiene sabor ni olor. Cuando muchas moléculas chocan con los sensores de nuestros sentidos se producen en nuestro cuerpo corrientes eléctricas que llegan a nuestro cerebro y producen las sensaciones. Lee con atención el texto anterior y contesta a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué quiere decir Demócrito con la frase del principio del tema? b) ¿Cuáles son las partículas comunes a todas las sustancias que existen en la Naturaleza?

c) ¿Qué es la carga? ¿Cuántos tipos de carga existen? d) ¿Cuál es la estructura de los átomos? e) ¿Qué diferencia hay entre un átomo y molécula? f) Explica el significado de red tridimensional. ¿Cómo sería una red de pesca? g) Haz distinción entre realidad y sensaciones.

LA FORMACIÓN DE LOS ÁTOMOS Y LOS FOTONES El átomo más pequeño que existe en la naturaleza es el hidrógeno (H: un protón con un electrón). Le sigue el Helio (He: dos protones, dos electrones y dos neutrones). Estos átomos se formaron en el comienzo del universo; prácticamente tienen la misma edad que el universo: unos quince mil millones de años. Nubes de átomos de hidrógeno y de helio se van aglomerando formando esferas en cuyo interior empiezan a ocurrir unos procesos que llamamos REACCIONES NUCLEARES DE FUSIÓN. Los núcleos de estos átomos se unen para dar lugar a núcleos más pesados. En estas reacciones nucleares se liberan grandes cantidades de energía en forma de otras partículas llamadas FOTONES. Así nacen las estrellas. Estos fotones se transmiten por todo el espacio e interaccionan con todo. Hay fotones que producen en nuestro sentido de la vista la sensación que llamamos luz y color (fotones visibles), otros producen en nuestro sentido del tacto la sensación de calor (fotones infrarrojos). Otros fotones son tan energéticos que producen daños en los seres vivos (fotones ultravioletas, fotones X, fotones cósmicos). En el interior de las estrellas se forman átomos más pesados: átomos de Carbono (C), de nitrógeno (N), de oxígeno (O). El átomo más pesado que se produce en las estrellas es el hierro (Fe). A medida que se agota el combustible atómico inicial (H y He) y se producen núcleos más grandes, el aspecto de la estrella cambia: su tamaño se hace mayor y su color cambia desde el blanco inicial al rojo. Las estrellas envejecen hasta que llegan al estado de GIGANTE ROJA. A partir de ese momento pueden ocurrir varias cosas, en función de la masa que tenga la estrella. Las estrellas de mayor masa estallan liberando al espacio todos los núcleos pesados que se han formado en su interior (son las llamadas SUPERNOVAS). En estas explosiones los núcleos de hierro se pueden fusionar para dar lugar a los núcleos más pesados de la naturaleza (entre ellos: Plata, Oro, Mercurio, Uranio). Estas nubes con elementos más pesados se pueden mezclar con nubes de hidrógeno y helio para formar estrellas de segunda generación o pueden condensarse para formar planetas. Nuestro Sistema Solar se formó hace unos 4.500 millones de años. El color de nuestra estrella, el Sol, es amarillo y le quedan unos 5.000 millones de años más para llegar a gigante roja. Su muerte no será espectacular. Se irá



apagándose y contrayéndose hasta formar una ENANA BLANCA que tardará un billón de años en enfriarse y convertirse en una ENANA NEGRA. Lee el texto anterior y responde a las siguientes cuestiones:

a) Explica cómo nacen las estrellas. b) ¿Qué son los fotones? c) ¿Qué ocurre en el interior de las estrellas? d) ¿Qué es una gigante roja? e) ¿Qué es una supernova? f) ¿Cómo evolucionará nuestro Sol?

UNIDADES DE ENERGÍA

En el sistema internacional la unidad de energía es el julio (J). Antiguamente se utilizaba la unidad caloría (1 J = 0,24 cal). También se utilizaba la Caloria (con mayúscula) para referirse a kcal. Todavía es frecuente encontrar algunos alimentos cuya información energética viene en Cal. Se utiliza mucho una nueva magnitud llamada potencia (P) que es la energía por unidad de tiempo. Así 1 julio por segundo se denomina vatio (W), en honor del ingeniero escocés James Watt.

Potencia = Energía / tiempo Energía = Potencia . tiempo En la práctica utilizamos una unidad llamada kilowatio.hora (kWh) de forma que 1 kwh = 3.600.000 J. La energía eléctrica que se consume en los hogares se factura por kWh.

USO CORRECTO DEL LENGUAJE CIENTÍFICO: La letra inicial del símbolo de las unidades que se refieren a nombres de científicos deben expresarse en

mayúsculas (el nombre de la unidad se escribe siempre en minúscula)

A2.3 Intenta expresar 1 kW.h en julios (debes hacer dos cambios de unidades: el kW debes pasarlo a W y la hora a segundo)

Nuestro Sol emite en un segundo 100.000.000.000.000.000.000 kWh = 1020 kWh (cien trillones)

LA ENERGÍA SOLAR EN LA TIERRA La Tierra recibe del Sol un porcentaje muy pequeño de esa energía. Ten en cuenta que la Tierra está a unos 150 millones de kilómetros del Sol. La energía se reparte en todas las direcciones en forma esférica. En esa esfera de 150 . 106 km de radio, nuestra Tierra ocupa una pequeñísima parcela. De cada 2.000 millones de kWh emitidos por el Sol en un segundo sólo nos llega 1 kWh. A pesar de ello, aún nos llegan 5 . 1016 kWh por segundo. El consumo total energético mundial en el año 2005 fue de 1'4 . 1014 kWh.

La energía que nos llega del Sol en un segundo equivale al consumo energético mundial actual durante 300 años Los fotones que llegan a la Tierra siguen dos caminos:

Unos son reflejados al chocar con los átomos de las sustancias presentes en la Tierra y vuelven al espacio. o El 6% de los fotones son reflejados por la atmósfera



o El 20% son reflejados por la nubes o El 4% son reflejados por la superficie terrestre (sobre todo por la nieve).

El resto son absorbidos por los átomos que constituyen las sustancias de la Tierra. Estos átomos se vuelven

más energéticos y las moléculas aumentan su nivel de agitación térmica (lo veremos más adelante). En este nuevo estado energético pueden actuar de dos maneras: devolver fotones y volver a su nivel de energía inicial o formar enlaces químicos con otros átomos para dar lugar a nuevas moléculas almacenando la energía que puede ser liberada cuando se producen reacciones químicas (por ejemplo, la combustión).

o Un 19% de los fotones son absorbidos por las sustancias de la atmósfera o El 51% restante de los fotones son absorbidos por la tierra y los océanos

A2.4 La tierra recibe una potencia solar de 174 PW (1 petavatio = 1 PW = 1015 W). Utiliza los datos anteriores y completa el siguiente cuadro:

Potencia solar total = 174 PW Reflexión atmosférica = Reflexión nubes = Reflexión terrestre =

Potencia total reflejada = Potencia total absorbida =

Absorción atmósfera = Absorción terrestre = Más adelante seguiremos con el itinerario de la energía solar que llega a la Tierra. La mayor parte de los fotones que nos llegan son infrarrojos, visibles y ultravioletas. Los más energéticos son los ultravioletas (UV). Se clasifican en tres niveles de menor a mayor energía: A, B y C.

Los UVC son muy peligrosos para los seres vivos. Afortunadamente, las capas más exteriores de la atmósfera terrestre absorben dichos fotones impidiendo que lleguen a la superficie terrestre. Estos fotones hacen que las moléculas del gas oxígeno (O2) existentes en esas capas se conviertan en otras moléculas llamadas ozono (O3).

Los UVB son también nocivos. La capa de ozono absorbe la mayor parte de estos fotones con lo que sólo llega una pequeña fracción a la superficie terrestre pero la exposición de la piel a tales rayos provoca cáncer de piel.

Los UVA son los menos nocivos. Todos atraviesan la capa de ozono llegando a la superficie. Cuando llegan a nuestra piel hacen que unas células llamadas pigmentarias liberen una proteína conocida como melanina de color oscuro. Ésta sube hacia la piel haciendo que el color de la misma oscurezca. La exposición excesiva de la piel a estos rayos también puede provocar cáncer de piel. Por esta razón hay que usar cremas protectoras de la piel para tomar el sol.

Recuerda siempre que los rayos UV pueden causar lesiones en la piel, problemas en los ojos, arrugas, manchas en la piel y cáncer de piel. Y llegan durante todas las estaciones del año (aunque su incidencia es mayor en verano). Recomendaciones para protección solar:

No tomar el sol 2 o 3 horas antes y después del mediodía solar (en verano 14 hora civil = 12 hora solar) Usar protector solar adecuado al tipo de piel Utilizar ropa protectora Usar gafas de sol con un 100% de protección contra rayos UV Evitar el uso de lámparas solares y camas para broncearse Revisar la piel con regularidad para detectar cambios en el tamaño, forma, color o textura de lunares y

manchas en la piel. La nieve refleja mucha radiación UV. El índice UV de la tabla inferior puede ser 2 o 3 veces mayor en una

zona nevada. ¡Mucho cuidado con el sol cuando vayas a Sierra Nevada!.



El factor de protección de una crema es un número que multiplica el tiempo máximo de exposición solar sin protección

Índice UV Piel Clara Piel Oscura

Exposición máxima sin protección

Factor protección adecuado

Exposición máxima sin protección

Factor protección adecuado

0-2 (bajo) 80 min 15 110 min 8

3-5 (moderado) 40 min 25 60 min 15

6-7 (alto) 25 min 30 35 min 25

8-10 (muy alto) Verano

20 min 50+ 30 min 30

11+ (extremo) Verano

15 min 50+ 25 min 50+

3.-ENERGÍA INTERNA Y TEMPERATURA

VELOCIDAD Un objeto que se mueve recorre cierta distancia en un determinado tiempo. Se define la velocidad media como el cociente entre la distancia recorrida y el tiempo invertido. Si la velocidad se mantiene constante, en tiempos iguales el objeto recorre las mismas distancias (movimiento uniforme). La unidad de velocidad en el sistema internacional es m/s. A2.5 Un cuerpo recorre 5'4 km en 20 minutos. Expresa la velocidad en m/s y en km/h. A2.6 Un vehículo se mueve a 10 m/s mientras que otro lo hace a 20 km/h. ¿Cuál es más rápido? A2.7 Determina el espacio recorrido en 2 minutos por un vehículo que se mueve a 120 km/h.

ENERGÍA CINÉTICA Recuerda que la Energía es capacidad de producir cambios. Cuando un objeto en movimiento choca contra algo se producen deformaciones y roturas debido a la acción combinada de la masa y la velocidad del objeto. Esa acción combinada la llamamos ENERGÍA CINÉTICA que puede calcularse mediante una fórmula muy simple: donde m es la masa del cuerpo (en kg) y v la velocidad que lleva (en m/s). Utilizando esas unidades (que pertenecen al llamado Sistema Internacional de Unidades) la energía queda expresada en julios (J). A2.8 Calcula la energía cinética de un vehículo de 1000 kg cuando se mueve a la velocidad de 20 m/s. A2.9 Un cuerpo de masa 100 kg se mueve a 10 m/s mientras que otro, de la misma masa, lo hace a 72 km/h. ¿Cuál de ellos tiene mayor energía cinética? A2.10 La masa de un vehículo con sus ocupantes es de 860 kg. Calcula la energía cinética que tienen cuando:

a) viajan a 60 km/h b) viajan al doble, es decir, 120 km/h

2.v m Ec

2



A2.11 Cuando un vehículo aumenta su velocidad en un 20% la energía aumenta en un 44% (y por tanto los daños producidos en un choque son mucho mayores). Si la velocidad aumenta un 30%, la energía cinética lo hace un 69%. ¿Sabrías explicar por qué un aumento de velocidad produce un aumento de energía mucho mayor?

ENERGÍA POTENCIAL Pero esas deformaciones las pueden producir también cuerpos que no se mueven pero que se encuentran en ciertas condiciones, por ejemplo, un muelle que está comprimido, un cuerpo que está colgado, un cuerpo que está cargado eléctricamente, etc. La energía que tienen los cuerpos en estas condiciones recibe el nombre de ENERGÍA POTENCIAL y puede tener varios apellidos: elástica, gravitatoria, eléctrica, etc. Las fórmulas para calcular la energía potencial son más complejas y no se dan en este nivel. La energía se intercambia de un tipo a otro. A2.12 Hay una lámpara colgada del techo a cierta altura. En un momento se rompe la sujeción y la lámpara cae hacia el suelo. Explica las transformaciones energéticas que tienen lugar.

ENERGÍA INTERNA Y TEMPERATURA En cierta manera los átomos son como pequeños muelles. Cuando un átomo absorbe un fotón la energía potencial del átomo aumenta (es como si el muelle se pusiese más tenso). Ahora bien, los átomos se mueven y tienen masa, por tanto tienen energía cinética. De esta forma, los átomos y moléculas, cuando se mueven chocan entre ellos intercambiándose energía cinética (aumentando o disminuyendo su velocidad) y energía potencial (aumentando o disminuyendo su tensión). La energía total del cuerpo será la suma de las energías cinética y potencial de todas sus moléculas. Esta es la ENERGÍA INTERNA del cuerpo. Para determinar el nivel de energía interna usamos una nueva magnitud llamada TEMPERATURA.

LOS SÓLIDOS Y LA TEMPERATURA

En la naturaleza encontramos sustancias sólidas con forma y volumen propios. Ello se debe a que las partículas que lo forman se atraen fuertemente manteniéndose unidas y ordenadas formando redes tridimensionales llamadas redes cristalinas. Los átomos que forman la red no se pueden juntar más y el sólido no se puede comprimir.

Sin embargo, los átomos en estas redes no están totalmente en reposo. Se encuentran vibrando (pequeños movimientos de oscilación). Hoy día se utiliza esa vibración para medir el tiempo (relojes atómicos). Cuando suministramos energía al sólido, aumenta la vibración y el grado de agitación del cristal se hace mayor. Este aumento de la

vibración hace que el espacio ocupado por el sólido aumente un poco (se dilata). Para medir el grado de agitación térmica hemos creado una nueva magnitud: LA TEMPERATURA. Mayor temperatura significa mayor grado de agitación atómica. La menor temperatura posible es aquella en la que cesa la vibración atómica (CERO ABSOLUTO). LENGUAJE CIENTÍFICO CORRECTO: Cuando comparamos las temperaturas de dos cuerpos utilizamos los adjetivos frío (el de menor temperatura) y caliente (el de mayor temperatura). Pero un cuerpo no está

por sí mismo frío o caliente. Está frío o caliente con respecto a otro A2.13 Lee el texto anterior y responde a las siguientes cuestiones básicas en tu cuaderno:

a) Explica porqué los sólidos tienen forma y volumen propios.



b) ¿Qué es la temperatura? ¿Por qué se produce la dilatación de los sólidos? c) ¿Cómo se puede aumentar la temperatura de un cuerpo? ¿Cuál es la manera más fácil de hacerlo? d) ¿Qué diferencia hay entre el calor y la temperatura?

UNA EXPERIENCIA DE LABORATORIO: FRÍO Y CALOR Cuando hablamos cotidianamente de frío o el calor nos referimos a sensaciones. Si al tocar un cuerpo la energía sale de nuestro cuerpo decimos que el cuerpo está frío. En caso contrario decimos que está caliente. Pero un mismo cuerpo puede producirnos las dos sensaciones:

a) Coge tres recipientes y echa agua caliente en uno, agua muy fría en otro y agua templada en el tercero.

b) Sumerge una mano en el recipiente del agua caliente durante un par de minutos. A continuación saca la mano y sumérgela en el recipiente del agua templada. ¿ Qué sensación tienes?

c) Repite la experiencia con el recipiente del agua fría. ¿Qué sensación te produce ahora el agua templada?

Es evidente que los conceptos frío y caliente no son útiles en Ciencia, aunque utilizamos esos términos para

comparar el nivel térmico de dos cuerpos: el cuerpo más frío es el de menor temperatura.

4.- CAMBIOS DE ESTADO Y TEMPERATURA

FUSIÓN Y ESTADO LÍQUIDO

Cuando la temperatura de un sólido alcanza cierto nivel, el grado de vibración llega a ser tan grande que la red empieza a romperse. En este momento hablamos de un cambio de estado: FUSIÓN. Las partículas que forman el sólido (átomos o moléculas) superan las atracciones de las redes y pueden moverse con cierta libertad. Estamos en un nuevo estado, el estado líquido. Si el sólido está formado por una sola sustancia (si no es una mezcla) toda la energía que aportemos se dedica a romper la red cristalina y la temperatura se mantiene constante mientras haya sólido. A esa temperatura se la llama temperatura de fusión y es característica de cada sustancia. Si en lugar de una sustancia tenemos una mezcla no existe una temperatura de fusión constante. Como hay moléculas diferentes, las fuerzas entre ellas es diferente. A una determinada temperatura habrá agitación suficiente para romper unas uniones pero no para otras. Así, al aumentar la temperatura de una mezcla vemos que una parte empieza a fundir pero la temperatura no se mantiene constante, sigue subiendo a diferencia de lo que ocurre cuando se calienta una sustancia.

En un recipiente que contenga agua líquida con hielo bien mezclados la temperatura se mantiene constante mientras exista hielo

A2.14 Lee el texto anterior y explica en tu cuaderno: a) Qué es la temperatura de fusión. b) Un método para distinguir una sustancia de una mezcla. c) ¿Por qué las mezclas no tienen temperatura de fusión constante?

La temperatura de fusión es la misma que la temperatura de solidificación (congelación para líquidos)



ACTIVIDAD DE LABORATORIO/CASA: Llenamos un bote con agua hasta los dos tercios. Marcamos la altura que alcanza el agua con un rotulador y pesamos el conjunto. Lo metemos en el congelador hasta que el agua congele y volvemos a pesar el tubo con el hielo. Fíjate en el volumen que ocupa el hielo. Explica los resultados en tu cuaderno.

EVAPORACIÓN Entre las moléculas de una sustancia actúan fuerzas de unión llamadas FUERZAS INTERMOLECULARES. La intensidad de las mismas depende del tipo de sustancia; por ejemplo, las fuerzas intermoleculares en el alcohol son

de menor intensidad que en el agua. En estado líquido las moléculas tienen la energía suficiente para debilitar la acción de estas fuerzas intermoleculares. Ello provoca la libertad de movimiento en el seno del líquido. Incluso hay moléculas con la energía necesaria para vencer la acción de estas fuerzas completamente y pasar a estado gaseoso: este es el fenómeno de la evaporación. Las moléculas del líquido que pasan a estado de vapor chocan contra las moléculas del aire que hay encima del líquido y pueden volver al seno del líquido. Si

retiramos las moléculas que pasan a vapor, no podrán volver al líquido y la evaporación continuará, el resultado final será la total evaporación del líquido. Si queremos favorecer la evaporación podemos:

Aumentar la superficie del líquido (esparciéndolo o echándolo en un recipiente más ancho). Crear corrientes de aire que retiren las moléculas del vapor. Aumentar la cantidad de moléculas que pueden pasar a la fase vapor aumentando la temperatura (al subir la

temperatura aumenta la energía de las moléculas y se mueven más rápidas lo que hace que el número de ellas que pueden pasar al vapor sea mayor).

A2.15 Lee el texto anterior y responde en tu cuaderno: a) ¿Qué es la evaporación? ¿Por qué se produce? b) ¿Por qué se seca la ropa antes cuando hay corrientes de aire? c) ¿Por qué al aumentar la temperatura se favorece la evaporación?

EBULLICIÓN El fenómeno de la evaporación es un fenómeno que ocurre en la superficie del líquido. Si se aumenta la temperatura llega un momento que incluso dentro del líquido se forman burbujas de vapor que al ser menos densas que el líquido se van hacia arriba, hacia la superficie. Este fenómeno se denomina ebullición. La situación de ebullición permite diferenciar de nuevo a las sustancias de las mezclas. Si el líquido sólo contiene una sustancia la temperatura no varía mientras se produce la ebullición. Esta temperatura se denomina Temperatura de ebullición y es característica de las sustancias. Si se trata de una mezcla, al calentar y subir la temperatura, el líquido empieza a hervir pero mientras tiene lugar la ebullición la temperatura no se mantiene constante.

Un líquido puro hirviendo garantiza una temperatura constante A2.16 Lee el texto anterior y responde en tu cuaderno: a) ¿Cuál es la diferencia entre ebullición y evaporación? b) Diseña otra experiencia que te permita distinguir una sustancia de una mezcla.



CONSTRUCCIÓN DE TERMÓMETROS: ESCALAS TERMOMÉTRICAS

Para construir un termómetro y medir la temperatura hay que hacer tres cosas:

1) Elegir una magnitud que cambie con la temperatura. Hay muchas pero la más fácil de medir es el volumen de los cuerpos. Cuando aumenta la temperatura aumenta la agitación térmica de los átomos o moléculas del cuerpo y eso se traduce en un aumento del espacio que ocupa.

2) Diseñar un instrumento que permita ver bien el cambio de volumen. 3) Escoger dos temperaturas de referencia, colocar el instrumento a esas dos temperaturas

y marcar el volumen en esos dos casos. Sólo queda dar valores numéricos (los que quieras) a esos dos puntos y ver las divisiones que hay entre esos dos números.

El más sencillo de los termómetros es el que utiliza mercurio o alcohol coloreado. El diseño es muy simple: un tubo muy fino con un depósito o bulbo en su parte inferior conteniendo cualquiera de esos dos líquidos. Cuando aumenta la temperatura el volumen del líquido aumenta y el líquido sube por el tubo (no debe contener aire, sólo el líquido). El tubo es muy fino pero se construye con unas paredes que actúan como lupa aumentando la visión. Ahora sólo queda graduar el termómetro. Para ello nos basamos en temperaturas que sabemos que no

cambian: la mezcla de hielo con agua y el agua hirviendo (siempre hablando de agua pura).

1) Introducimos nuestro termómetro en un vaso que contiene una mezcla de agua más hielo. Podemos ver que, pasado el tiempo de adaptación, el volumen del líquido no cambia (la temperatura se mantiene constante). Ahora marcamos la altura donde queda el líquido que será nuestro punto A.

2) Ponemos el termómetro en agua y calentamos hasta que

esté hirviendo. Podremos ver que el volumen del líquido empieza a aumentar (el líquido sube) hasta que se llega a la ebullición. Dejándolo un tiempo comprobaremos que la temperatura se mantiene constante. Volvemos a marcar la altura a la que ha llegado el líquido que será nuestro punto B.

Sólo queda establecer la escala adecuada. La graduación del termómetro dependerá del valor que se les asigne a estos puntos:

El físico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit asignó, en 1724, el valor 32 al primer punto y 212 al segundo. Cada una de las 180 partes (212 - 32) se llama grado Fahrenheit.

El físico y astrónomo sueco Anders Celsius asignó, en 1742, el valor CERO al primer punto y el valor 100 al segundo. Ésta es la escala Celsius (antiguamente llamada centígrada).

¿Cómo pasar de una escala a otra? Tienes dos termómetros, uno

Celsius y otro Fahrenheit. Colocas los dos termómetros en el mismo lugar por lo que alcanzarán la misma temperatura. El valor numérico será distinto porque las escalas son diferentes. Uno marcará el valor Tc y el otro marcará el valor Tf.



Ahora bien, independientemente del tamaño de cada uno de los termómetros, los segmentos AB y ATc tienen que ser proporcionales a los segmentos AB y ATf, esto se traduce en la expresión matemática: Expresión que nos permite calcular Tc si sabemos Tf o viceversa.

ESCALA DE TEMPERATURAS ABSOLUTAS Ninguna de las escalas inventadas representa a la verdadera temperatura de los cuerpos. Sólo comparan la temperatura del cuerpo con respecto a los puntos de referencia (hielo en punto de fusión y agua hirviendo). Existen niveles de temperaturas por debajo del punto de fusión del hielo (por eso utilizamos valores negativos). Hemos visto antes que la temperatura representa el nivel de agitación de los átomos que forman el cuerpo. El cero absoluto de temperatura es la temperatura a la cual no existe ningún tipo de agitación. Hemos comprobado que esto ocurre 273 ºC por debajo del punto de fusión del hielo, es decir, -273 ºC. A ese punto le asignamos el valor absoluto de 0 Kelvin (en honor al científico inglés William Thompson - Lord Kelvin). Si asignamos el valor 0 absoluto a -273 ºC, y utilizamos una escala con las mismas divisiones Celsius, el punto de fusión del hielo será 273 K. En general TK = TC + 273. A2.17 Expresa la temperatura 36 ºC en ºF. A2.18 Invéntate tu propia escala de temperaturas (grados X, donde X es tu nombre). Dale a los puntos A y B los valores que tú quieras y expresa la temperatura 50 ºC en tu escala. A2.19 ¿Qué temperatura es mayor, 30 ºC ó 42 º F? A2.20 Explica cuáles de los siguientes enunciados son verdaderos y cuáles no:

a) El termómetro con el mercurio en 0 °C pesa menos que con el mercurio en 90 °C. b) El agua a 32 °F está más fría que a 20 °C. c) Cuando un cuerpo se dilata aumenta de peso. d) La densidad de una sustancia depende de la temperatura.

A2.21 El kilogramo se define como la masa de 1000 cm3 de agua medidos a 4 °C. ¿Por qué es necesario especificar la temperatura? ¿La masa depende de la temperatura? A2.22 Si leemos en la prensa que Nueva York está a 78ºF, ¿a qué temperatura en ºC corresponden? A2.23 ¿Cuál es la finalidad de las ropas de abrigo? ¿Calienta la manta que te echas encima cuando tienes frío? A2.24 a) ¿Es posible que 1 g de un gas ocupe más volumen que 10 g de este mismo gas?; b) ¿Qué ocupará más volumen 5 L de oxígeno o 5 L de agua líquida? A2.25 La siguiente tabla de datos representa el proceso al que se sometió una sustancia pura.

Temperatura ºC 98 77 51 51 51 30 17 4 -8 Tiempo (min) 0 4 8 12 16 20 24 28 32

a) Haz una representación gráfica temperatura / tiempo. b) Expresa la temperatura final alcanzada en este experimento en la escala Fahrenheit.

32 - 212

32 - Tf

0 - 100

0 - Tc

AB

ATf

AB

ATc



c) Explica qué le sucede a esa sustancia entre los 8 y 16 minutos. d) Sabemos que la temperatura de fusión de esta sustancia era de –5ºC y su temperatura de

ebullición, de 51ºC. ¿En qué estado se hallaba la sustancia al comienzo de la experiencia? ¿Y al final de los 32 minutos?

A2.26 Expresa en Kelvin las siguientes temperaturas: 25 C 60 F A2.27 ¿Qué temperatura es mayor: 290 K ó 45 F?

MEDIDAS DE TEMPERATURA: Iniciación Interactiva a la Materia de Mariano Gaite Cuesta Inicia la aplicación, entra en PROPIEDADES y elige la pestaña TEMPERATURA. Realiza todas las actividades anotándolas en tu cuaderno.

CAMBIOS DE ESTADO: Iniciación Interactiva a la Materia de Mariano Gaite Cuesta Inicia la aplicación, entra en ESTADOS y elige la pestaña Cambios. Realiza todas las actividades anotándolas en tu cuaderno. Pasa a las pestaña Actividades finales.



EN RESUMEN:

La temperatura nos marca el nivel de agitación atómica o molecular. En un sólido los átomos se encuentran fijos pero no están absolutamente quietos, se encuentran vibrando (temblando). Cuando aportamos energía la vibración se hace mayor y aumenta la temperatura. Este aumento de vibración produce un pequeño aumento del espacio ocupado por el cuerpo (aumenta su volumen, esto es, el sólido se dilata).

Cuando se alcanza una determinada temperatura la vibración llega a ser tan grande que los átomos o moléculas quedan parcialmente libres para moverse (líquidos) o totalmente libres (gases) y ocupan todo el espacio del

recipiente que los contiene. Al seguir aumentando la temperatura de líquidos y gases la agitación molecular aumenta: las moléculas se

mueven más deprisa. Hablamos de mayor agitación térmica. Esta mayor agitación térmica hace que las moléculas ocupen más espacio. La dilatación de líquidos y gases es mayor que la de los sólidos.

Al calentar un sólido formado por una sustancia pura, la

temperatura comienza a subir hasta que se alcanza el punto de fusión. Mientras el sólido está fundiendo la temperatura de la sustancia pura no varía (por eso la temperatura de la mezcla de hielo y agua líquida se mantiene en 0 C). Cuando todo el sólido se ha fundido, si se sigue suministrando energía, la temperatura del líquido comienza a subir hasta alcanzar la temperatura de ebullición. Mientras el líquido puro hierve se mantiene constante la temperatura (esa es la temperatura de ebullición). Una vez que todo el líquido se ha transformado en vapor, y si se sigue calentando, la temperatura vuelve a subir. Esto se puede representar en un gráfico como el de la

izquierda.

TEMPERATURAS DE FUSIÓN Y EBULLICIÓN DE ALGUNAS SUSTANCIAS

SUSTANCIA AGUA ETANOL AZUFRE OXÍGENO NITRÓGENO ESTAÑO PLATA T fusión C 0 -114 119 -219 -210 232 961 T ebullición C 100 78 444 -183 -196 2.270 2.212

A2.28 Comenta los siguientes enunciados indicando cuáles son verdaderos y cuáles no:

a) 1000 l de agua hierven a una temperatura mayor que 1 cm3 de agua. b) Al evaporar 5 g de agua la masa obtenida de vapor es menor. c) La densidad del agua líquida es la misma que la del vapor de agua. d) Una sustancia líquida se evapora a cualquier temperatura. e) Las burbujas que se observan al hervir agua contienen aire. f) Al fundir 1 L de hielo se obtiene 1000 cm3 de agua líquida, g) La temperatura de fusión de una sustancia pura sirve para identificarla. h) El alcohol se evapora a una temperatura menor que el agua. i) Una mezcla agua - alcohol hierve siempre a la misma temperatura. j) Una sustancia pura hierve siempre a la misma temperatura. k) 1 g de vapor de agua ocupan un volumen menor que 10 g de gas butano. l) 10 L de gas carbónico no caben en una botella de 1 L de capacidad. m) El alcohol se evapora más rápidamente que el agua. n) 100 L de vapor de agua tienen una masa mayor que 2 L de agua líquida.

ENERGÍA APORTADA

FUSIÓN

EBULLICIÓN



A2.29 La densidad del hielo es 0,92 g/cm3. Tienes 200 cm3 de hielo y dejas que se conviertan en agua líquida. Completa los siguientes enunciados (haz los cálculos oportunos):

a) La masa de los 200 cm3 de hielo es ___________ b) La masa de agua líquida que se obtiene es ___________ c) El volumen que ocupa el agua líquida obtenida es ____________

A2.30 Un recipiente contiene agua y un trozo de hielo flotando. Al cabo de un rato se observa que todo el hielo se ha fundido. ¿Cuáles de los siguientes enunciados son falsos?: a) La masa del conjunto disminuye. b) El nivel del agua líquida sube cuando se funde todo el hielo. A2.31 Un vaso contiene 300 cm3 de agua líquida y un trozo de hielo de volumen 100 cm3 de los cuales 92 cm3 se encuentran sumergidos en el agua y 8 cm3 se encuentran emergidos.

a) ¿Cuál es el volumen que ocupa toda la mezcla? b) ¿Cuál es la masa de toda la mezcla? c) ¿Qué masa de agua se tiene al fundir todo el hielo? d) ¿Qué volumen ocupa todo el agua que queda después de fundir el hielo?

A2.32 ¿Qué volumen ocupa el hielo obtenido al congelar medio litro de agua líquida? A2.33 ¿A qué temperatura se encuentra el agua obtenida al fundir 1 g de hielo? A2.34 ¿Qué es la técnica del calentamiento al baño maría? A2.35 ¿Qué diferencia hay entre freír patatas y cocer patatas? A2.36 Explica qué ocurre al calentar una mezcla de hielo y arena. ¿Qué sustancia funde antes? Compara este hecho con la ebullición de una mezcla de agua y alcohol. ¿Qué sustancia hierve antes? A2.37 Un bote que contiene 2 cm3 de alcohol líquido se encuentra encima de una balanza que marca una masa de 56 g. Si logramos que el alcohol se evapore, manteniendo cerrado el bote, entonces:

a) El vapor de alcohol ocupa la parte superior del bote. b) La balanza señalará un peso inferior. c) La densidad del alcohol sigue siendo la misma. d) Al abrir el bote lo marcado por la balanza no varía.

A2.38 En el interior de un horno, a 2250 ºC introducimos 1 g de las siguientes sustancias: Plata, azufre y estaño, los cuales estaban, inicialmente a 25º C. ¿En qué estado se hallarán en el interior de ese horno tras un buen rato? A2.39 Un líquido hierve a 373 K y otro a 100 C. ¿Cuál de los dos hierve a una temperatura mayor? A2.40 Ordena las siguientes temperaturas de menor a mayor: 25 C 300 K -15 C 220 K A2.41 Consultando los datos de punto de fusión y ebullición del oxígeno, realiza una gráfica aproximada temperatura/tiempo para el proceso mediante el cual una masa de este gas se calienta desde los –250ºC a los 0ºC. A2.42 Expresa las temperaturas de fusión y ebullición del nitrógeno y del azufre en la escala Fahrenheit. A2.43 a) ¿A qué temperatura solidifica el alcohol (etanol)? ¿A qué temperatura condensa? b) Dibuja la gráfica aproximada temperatura-tiempo para el proceso al que se somete una masa de alcohol desde los 110



ºC hasta los –100 ºC, indicando el estado físico final en que se hallará esta sustancia cuando finalice el proceso. A2.44 La siguiente tabla de datos representa el proceso al que se sometió una sustancia pura.

Temperatura ºC 98 77 51 51 51 30 17 4 -8 Tiempo (min) 0 4 8 12 16 20 24 28 32

e) Haz una representación gráfica temperatura / tiempo. f) Expresa la temperatura final alcanzada en este experimento en la escala Fahrenheit. g) Explica qué le sucede a esa sustancia entre los 8 y 16 minutos. h) Sabemos que la temperatura de fusión de esta sustancia era de –5ºC y su temperatura de

ebullición, de 51ºC. ¿En qué estado se hallaba la sustancia al comienzo de la experiencia? ¿Y al final de los 32 minutos?

A2.45 Observa la gráfica temperatura / tiempo que se ofrece en la figura, en la que se sabe que la sustancia con la que se está trabajando estaba inicialmente a 850 ºC y que se finaliza el proceso a los –120ºC.

a) Expresa la temperatura final del proceso en la escala Fahrenheit.

b) Sabemos que el punto de fusión de esta sustancia es de –170ºC, y el punto de ebullición es de 180ºC. ¿Qué transformación física ha tenido lugar en el proceso?

c) Explica en qué estado se encontrará la sustancia al final de los 20 minutos del experimento.

EL HORNO MICROONDAS Las microondas son fotones con menos contenido energético que los infrarrojos. Son fotones parecidos a los que se transmiten por las antenas de radio y televisión. El horno microondas produce una concentración alta de estos fotones que quedan confinados en la caja del microondas.

Las microondas son fácilmente absorbidas por las moléculas de agua (en menor medida por las grasas y los azúcares) haciendo que el nivel térmico del agua aumente, es decir, la temperatura del agua aumenta al absorber fotones microondas. Como todos los alimentos contienen un alto porcentaje de agua, las microondas nos permiten calentarlos de manera muy eficiente. No se calientan, como en los hornos convencionales, desde las capas exteriores a las interiores con lentitud sino que se produce el calentamiento en toda la masa del alimento de manera mucho más rápida. El recipiente no se calienta por las microondas ya que no contiene agua. Pero el calentamiento del agua del alimento provoca por contacto el calentamiento del recipiente (sobre todo si es metálico).

ATENCIÓN: Si calientas mucho un vaso sólo con agua debes tener cuidado al retirarlo del microondas. Se puede producir sobrecalentamiento del agua y puede hervir de manera violenta cuando lo estás retirando con el riesgo de graves quemaduras. Espera siempre 10-15 segundos para retirar el alimento calentado.

0 5 10 15 20 25

Tiempo (min)

0

200

400

600

800

1000

-200

(Temperatura ºC)



HISTORIA DEL MICROONDAS El horno de microondas es un subproducto de otra tecnología al igual que otros inventos. Esto sucedió durante el curso de un proyecto de investigación relacionado con el radar, alrededor de 1946 en el que el doctor Percy

Spencer, ingeniero de la Raytheon Corporation, notó algo muy peculiar. Estaba probando un nuevo tubo al vacío llamado magnetrón cuando descubrió que una chocolatina que tenía en su bolsillo se había derretido. Intrigado y pensando que quizá la barra de chocolate había sido afectada casualmente por esas ondas, el doctor Spencer hizo un experimento. Esta vez colocó algunas semillas de maíz para hacer palomitas, cerca del tubo y, permaneciendo algo alejado, vio con una chispa de inventiva en sus ojos cómo el maíz se movía, se cocía e hinchaba y brincaba esparciéndose por todo el laboratorio. A la mañana siguiente, el científico decidió colocar el magnetrón cerca de un huevo de gallina. Le acompañaba un colega curioso, que atestiguó cómo el huevo comenzó a vibrar debido al aumento de presión interna originada por el rápido

incremento de la temperatura de su contenido. El curioso colega se acercó justamente cuando el huevo explotaba, salpicándole la cara con yema caliente. El rostro del doctor Spencer, por el contrario, se iluminó con una lógica conclusión científica: lo acaecido a la barra de chocolate, a las palomitas de maíz y ahora al huevo, podía atribuirse a la exposición a la energía de baja densidad de las microondas. Y si se podía cocinar tan rápidamente un huevo, ¿por qué no probar con otros alimentos? Así comenzó la experimentación. El doctor Spencer diseñó una caja metálica con una abertura en la que introdujo energía en forma de microondas. Cuando se le colocaba alimento la temperatura del alimento aumentaba rápidamente. El doctor Spencer había inventado lo que iba a revolucionar la forma de cocinar y sentaba las bases de una industria multimillonaria: el horno de microondas. A2.46 Lee con atención el texto anterior y contesta a las siguientes cuestiones: a) Señala las palabras que desconoces para averiguar su significado. b) ¿Qué hecho puso a Percy Spencer camino del invento del microondas? c) ¿Cómo comprobó su utilidad para calentar?

5.- CALOR Y TEMPERATURA La energía puede pasar de un cuerpo a otro. Por ejemplo, cuando una bola en movimiento choca con otra que está parada. La que está parada tiene energía cinética cero; en el choque, la bola en movimiento se frena un poco y transmite parte de su energía cinética a la que está parada por lo que ésta se pone en movimiento. Pero la energía que pierde una bola es igual a la que gana la otra. Tenemos dos recipientes con agua a distinta temperatura. En el líquido a mayor temperatura la agitación molecular es mayor, es decir, las moléculas de agua caliente se mueven más deprisa (en conjunto) que las moléculas de agua fría. Cuando se mezclan se producen choques entre las moléculas rápidas y las lentas. Como consecuencias las rápidas pierden energía cinética y las lentas las ganan. Al cabo de cierto tiempo el grado de agitación es semejante para todas: la temperatura del conjunto se ha igualado. Esta transferencia de energía, a nivel molecular, entre un cuerpo y otro a diferente temperatura se denomina

CALOR.



USO CORRECTO LENGUAJE CIENTÍFICO:

Los cuerpos tienen energía interna y tienen temperatura (que mide el nivel de agitación atómica o molecular).

Los cuerpos pueden transferirse energía de unos a otros (por ejemplo, transmitiéndose fotones de unos a otros o chocando unos con otros).

Cuando la transferencia energética se debe a que las temperaturas de los cuerpos es diferente le damos un nombre especial: CALOR.

Un cuerpo no tiene calor. El calor es un proceso de transferencia de energía. En el lenguaje cotidiano (no científico) llamamos calor a la sensación que sentimos cuando nuestro

cuerpo absorbe demasiada energía del medio exterior. Cuando emitimos demasiada energía al exterior sentimos frío.

ENERGÍA UTILIZABLE Y ENERGÍA DEGRADADA El aire es una mezcla de moléculas (un 78% son de gas nitrógeno, un 21% de gas oxígeno, un 0’9% de gas argón y el resto es dióxido de carbono, vapor de agua y otros). Estas moléculas se mueven de un lado a otro chocando entre ellas, chocando con las paredes, chocando con nosotros, etc. Las moléculas chocan y rebotan de forma que se mueven caóticamente de un lado a otro en todas direcciones. Estos choques producen empujes pero cuando el aire está en reposo (es un decir) los choques de las moléculas que te dan en la espalda se compensan con las que te dan en el pecho y el resultado final es que te quedas quieto. Las moléculas del aire en estas condiciones tienen energía pero no puede ser aprovechada de manera fácil. La llamamos degradada. Cuando las moléculas del aire se mueven preferentemente en una dirección tenemos el viento. En la dirección del viento se producen más choques que en otras direcciones y el empuje ya se nota. Ahora podemos utilizar la energía cinética de las moléculas para mover algo: las aspas de un molino, las velas de un barco, etc. Esta energía utilizable la hemos convertido en TRABAJO.

La degradación de la energía es un problema: deja de ser útil para producir los cambios que deseamos

6.- CICLO DE LA ENERGÍA EN LA TIERRA

Hemos visto que del total de la energía que recibimos del Sol (174 PW, es decir 174 PJ por segundo) un 30% se refleja y no pasa a la Tierra. Del resto:

o Un 19% de los fotones son absorbidos por las sustancias de la atmósfera

o El 51% restante de los fotones son absorbidos por la tierra y los océanos

¿Qué ocurre con toda esta

energía?



BALANCE ENERGÉTICO SOLAR DE LA TIERRA Prácticamente toda la energía que recibe la Tierra del Sol es devuelta al espacio exterior pero en forma de fotones infrarrojos (de menor energía que los visibles y sensibles al tacto). Si no ocurriese esa devolución de energía, la temperatura de la Tierra iría subiendo haciendo la vida imposible.

El equilibrio entre la energía recibida y emitida es fundamental para mantener las condiciones de habitabilidad

en nuestro planeta

La devolución energética produce los fenómenos climatológicos:

ORIGEN DE LOS VIENTOS: En las zonas ecuatoriales el calentamiento es mayor que en latitudes templadas. Las tierras y mares de zonas ecuatoriales devuelven al aire más fotones infrarrojos haciendo que la temperatura del aire suba. Su energía se hace mayor y asciende creando en la superficie una zona con menos aire llamada BAJA PRESIÓN. El aire de las zonas templadas tiende a ocupar estas zonas de baja presión: son los llamados vientos alisios. Mientras, el aire que asciende emite fotones infrarrojos que escapan al espacio exterior y se enfría. Al enfriarse desciende hacia las zonas templadas.

FORMACIÓN DE NUBES: Cuando las moléculas de agua líquida absorben fotones se vuelven más energéticas, su energía cinética se hace mayor y escapan de la masa líquida que las retiene por fuerzas entre las moléculas. De esta forma el aire adquiere cierta cantidad de vapor de agua llamada HUMEDAD. El vapor de agua no se distingue dentro de la masa de aire de forma que el aire húmedo tiene el mismo aspecto que el aire seco. Cuando una masa de aire húmedo se calienta (al recibir los fotones infrarrojos que emiten tanto la tierra como los océanos) adquiere energía cinética y asciende enfriándose como hemos visto antes. El vapor de agua emite fotones que sirven para acelerar la masa de aire y se transforma en gotitas muy pequeñas de agua líquida que se ven de color blanco. Las gotas son pequeñas y flotan en el aire. A medida que las gotitas atrapan más moléculas de agua aumentan de volumen y de masa y caen como lluvia.

CORRIENTES MARINAS En el polo norte la temperatura es menor y el agua del mar se congela. Pero el hielo es agua sin sal de manera que el agua que está por debajo del hielo contiene más sal que el agua del resto del océano. Al tener más sal pesa más y se va hacia el fondo (algo parecido al aire caliente que asciende en el ecuador). Su lugar es ocupado por agua superficial más cálida del sur que va hacia el norte. Las aguas más densas desplazan a las aguas frías del fondo hacia el sur que tienden a subir para compensar el agua superficial que se ha ido al norte. Así se crean las corrientes marinas. Debido a un conjunto de factores (vientos, rotación de la Tierra y otros) grandes masas de agua circulan como ríos a lo largo de todos los océanos. La influencia de las corrientes marinas en el clima es muy importante: el clima en Europa del Norte sería mucho más frío si no recibiese las aguas cálidas de la corriente superficial que viene de América Central (corriente del golfo).



UNA ABSORCIÓN DE ENERGÍA SOLAR MUY ESPECIAL: FOTOSÍNTESIS

En la evolución del planeta Tierra se produjo una molécula fundamental llamada CLOROFILA. Gracias a esta molécula se formaron células vegetales que captan fotones visibles dando lugar a una reacción química donde el dióxido de carbono (CO2) se combina con el agua (H2O) dando lugar a glucosa (C6H12O6) y gas oxígeno (O2). A partir de la existencia de estas células, la atmósfera terrestre empezó a bajar en contenido de CO2 y aumentar en O2. La evolución pudo tomar el camino de

la vida animal. Las plantas absorben energía solar produciendo compuestos químicos que almacenan dicha energía. Cuando quemamos un trozo de madera o de papel liberamos esa energía. Los animales utilizamos la energía solar acumulada en los compuestos químicos producidos como consecuencia de la fotosíntesis. El carbón o el petróleo son restos de seres vivos que quedaron enterrados y no se descompusieron totalmente.

La energía acumulada en el carbón o en el petróleo fue energía solar atrapada en tiempos pasados

EFECTO INVERNADERO

Como puedes comprobar en el dibujo del balance energético, un 64% de la energía recibida del Sol se emite en forma de fotones infrarrojos al espacio exterior manteniéndose de esa forma el equilibrio energético fundamental para la existencia de la vida en la Tierra. Sin embargo hay sustancias en la atmósfera que no emiten fotones infrarrojos con tanta facilidad: son las moléculas de CO2 y de H2O (también el metano CH4 y otros gases industriales). Sin la presencia de estas moléculas en el aire la temperatura media del planeta Tierra sería de -18 ºC impidiendo el desarrollo de la vida. Nos hemos desarrollado con unas determinadas cantidades de CO2 que han mantenido la temperatura adecuada para la vida. Pero un aumento de la concentración de estas moléculas provocará un aumento en la temperatura media del planeta y los efectos pueden ser desastrosos (deshielos de polos y subida del nivel del mar, alteración de las corrientes marinas con sus efectos en el clima, variación del eje de giro terrestre con terremotos y maremotos, etc.)

PARA EVITAR DESASTRES:

La fotosíntesis baja las cantidades de CO2: es fundamental plantar árboles La combustión es una reacción química que produce CO2: hay que limitar los procesos de combustión

A2.47 Escribe todos los procesos que conozcas donde se produzca una combustión y, por tanto, se aumente la cantidad de CO2 en la atmósfera. Señala algunas actuaciones que podemos hacer en nuestra vida cotidiana para evitar el aumento del efecto invernadero.

7.- EL PROBLEMA DEL CONSUMO ENERGÉTICO A2.48 Analiza la siguiente gráfica e intenta dar una explicación a la misma:



Resulta evidente que tenemos un problema dadas las necesidades energéticas que necesitamos (y que serán mucho más debido a la industrialización de países como China o Brasil con alto número de habitantes).

FUENTES DE ENERGÍA FUENTES DE ENERGÍAS NO RENOVABLES: Son aquellas fuentes que se van agotando a medida que hacemos usos de los recursos. Tienen un tiempo limitado de utilidad porque la sustancia que proporciona la energía se agota. FUENTES DE ENERGÍAS RENOVABLES: No tenemos problemas de agotamiento. La fuente se está renovando continuamente y la energía que consumimos es continuamente reemplazada. A2.49 Señala las fuentes de energías que conozcas y explica si son renovables. Conociendo el problema de las fuentes de energía de combustión (aumento del efecto invernadero), el consumo energético está cada día más basado en la energía eléctrica. Un generador eléctrico es tan simple que en las bicicletas se instalan para producir las luces de los faros. Son las dinamos. Con una dinamo podemos obtener iluminación eléctrica o podemos hacer funcionar un motor eléctrico (muy parecido en su estructura a una dinamo) para realizar un trabajo. En las centrales eléctricas funcionan generadores con el mismo principio: rollos de cables de cobre (bobinas) girando alrededor de imanes. El único problema es encontrar el mecanismo para el giro de las bobinas (turbinas). Necesitamos fuentes de energía para hacer girar las bobinas. En función de la fuente de energía utilizada, las centrales eléctricas tienen un determinado apellido:



Centrales hidroeléctricas: utilizan la energía potencial del agua a cierta altura. Al caer el agua mueve unas aspas que producen el giro de las bobinas.

Centrales termoeléctricas: utilizan la combustión para generar vapor de agua a alta presión que produce el giro de las aspas. El principal problema es la emisión de CO2 (y otros gases) en la combustión. Necesitan sistema de refrigeración (hay que instalarlas al lado de un río). Se puede utilizar combustible derivado de vegetales no fósiles (biomasa). En este caso la emisión del CO2 queda compensada con el CO2 que el vegetal ha absorbido al formarse.

Centrales nucleares: el vapor es producido por la energía nuclear obtenida a partir de la ruptura de átomos muy pesados como el uranio. Tienen la ventaja de producir mucha energía con poco combustible nuclear pero suponen dos problemas: primero, si fallan los mecanismos de seguridad la central se convierte en una bomba atómica y, segundo, los residuos que quedan producen fotones de altísima energía (se llaman radiactivos) y son muy peligrosos para la salud. Se almacenan en minas muy profundas y en bidones herméticos pero existen dudas acerca de los riesgos futuros que puedan provocar. El sistema de refrigeración es fundamental.

Centrales termosolares: no utilizan vapor de agua, sino otros fluidos a mayor temperatura que se calientan con un horno solar: un complejo sistema de espejos dirigen la luz solar hacia el horno donde el fluido alcanza una alta temperatura (entre 300 y 1000 ªC en función del fluido).

Centrales eólicas: las turbinas son movidas por el viento. Centrales mareomotrices: utilizan la energía de las mareas (energía proporcionada por la Luna y el Sol

debido a la atracción gravitatoria, no a la emisión de fotones). Los avances tecnológicos han permitido la obtención de energía eléctrica sin necesidad de dinamo. Hemos logrado materiales que convierten directamente la energía de los fotones en energía eléctrica: son los paneles fotovoltaicos. A2.50 Señala algunas ventajas e inconvenientes de las siguientes fuentes de energía. ¿Cuáles son renovables? Fuente Ventajas Inconvenientes Centrales hidroeléctricas Centrales térmicas Centrales nucleares Centrales termosolares Centrales eólicas Centrales mareomotrices Paneles fotovoltaicos

Física y Química Básica para ESO: 03 Sustancias y mezclas


SUSTANCIAS Y MEZCLAS

1.- MEZCLAS HETEROGÉNEAS Y MEZCLAS HOMOGÉNEAS: SEPARACIÓN Distinguir una sustancia pura de una mezcla, en principio, parece fácil.

A3.1 Clasifica, explicando en qué te basas, las siguientes sustancias en puras o mezclas:

a) un terrón de azúcar b) un plato de lentejas con chorizo c) agua clara de un arroyo de montaña d) un anillo de oro e) un pedazo de adoquín de granito f) un vaso de leche

Unas mezclas se distinguen claramente por su aspecto: presentan partes diferentes. Unas zonas son diferentes a otras. Este tipo de sustancia se denomina MEZCLA HETEROGÉNEA. EXPERIENCIA DE LABORATORIO: Preparamos dos vasos (que sean iguales) con 25 mL de agua destilada (sustancia pura). Echamos 5 g de azúcar en uno de los vasos y agitamos la mezcla hasta que todo el azúcar se disuelva.

a) ¿Hay alguna diferencia visible entre el contenido de cada vaso? b) ¿Qué magnitudes deben haber cambiado en el vaso de la mezcla? c) Determina la densidad de la mezcla y compárala con la del agua destilada.

Muchas sustancias no presentan partes diferentes pero se encuentran formadas por mezcla de varias sustancias puras: son las llamadas MEZCLAS HOMOGÉNEAS o DISOLUCIONES.

A3.2 En un matraz tienes un líquido incoloro y transparente. ¿Qué pruebas efectuarías para poder decidir si ese líquido es una sustancia pura o una disolución? ¿Qué resultados te podrían indicar que puede ser agua pura? A3.3 ¿Cómo se podría comprobar por medios físicos que el aire es una mezcla de gases?

¿Cómo distinguir entre una disolución y una sustancia pura? Una mezcla está formada por más de una sustancia. Las fuerzas intermoleculares son diferentes entre las partículas de una y otra, por lo que las temperaturas de fusión y ebullición no permanecen constantes en las mezclas.



Uno de los componentes de la disolución se denomina DISOLVENTE; el resto de componentes reciben el nombre de SOLUTOS. Como norma general, el disolvente es el componente en mayor proporción; sin embargo, en ocasiones el disolvente se encuentra en menor proporción, como es el caso de una mezcla de alcohol y agua con el 96% de alcohol. Por ello es preferible definir el disolvente desde un punto de vista económico: es el componente más barato. El soluto será, por tanto, el componente más interesante de la mezcla. A3.4 ¿Qué ocurre con las partículas del soluto al disolverse? ¿Qué relación hay entre la masa de la disolución y la de los componentes? ¿Y entre los volúmenes?

CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA: Iniciación Interactiva a la Materia de Mariano Gaite Cuesta Inicia la aplicación y entra en CLASIFICACIÓN. Pica en elementos químicos, compuestos, mezclas homogéneas y mezclas heterogéneas. Lee los textos y resúmelos en tu cuaderno. SEPARACIÓN DE LOS COMPONENTES DE UNA MEZCLA

Para separar los componentes de una mezcla habrá que analizar las propiedades de los componentes y utilizar DIFERENCIAS NOTABLES entre ellas para lograr la separación de los mismos. A3.5 ¿Cómo se puede separar una mezcla formada por azufre e hierro?

Las técnicas de separación han de basarse en diferencias entre las sustancias mezcladas A3.6 Un cargamento de aceitunas contiene frutos de muchos tamaños. Diseña un procedimiento para lograr la separación de las aceitunas en cuatro series de tamaños.

En la industria se suele utilizar una malla formada por cuerdas divergentes como la representada en la figura. Esta malla se coloca en un plano inclinado. Las aceitunas se descargan por la parte superior y a medida que descienden encuentran una mayor separación entre las cuerdas.

Descarga aceitunas

pequeñas grandes



DECANTACIÓN Esta técnica se basa en la diferencias entre las densidades de los componentes de la mezcla. ACTIVIDAD LABORATORIO: Preparamos una mezcla formada por perdigones de plomo, arena de mar y lima (o en su defecto tierra corriente). Echamos esta mezcla en una probeta y la llenamos de agua. Agitamos el contenido de la probeta y dejamos reposar el conjunto. Anota en tu cuaderno la experiencia y las observaciones. También se utiliza la decantación para separar líquidos que no se mezclan (no miscibles). En este caso se usa un embudo equipado con una llave en su parte inferior, llamado EMBUDO DE DECANTACIÓN.

El líquido de mayor densidad queda en el fondo del embudo y se puede recuperar abriendo la llave.

FILTRACIÓN Este método se utiliza para separar mezclas heterogéneas de sólidos en líquidos. Se utiliza un embudo de filtración y un papel especial de filtro (papel que deja pasar al líquido pero no al sólido). ACTIVIDAD LABORATORIO: Preparamos una mezcla de sulfato de cobre y arena de mar. Echamos agua y agitamos hasta que todo el sulfato de cobre quede disuelto. Filtramos el conjunto utilizando un embudo cónico y un círculo de papel de filtro con el tamaño adecuado (hay que aprender a doblarlo para acoplarlo al embudo).

¿Qué sustancias hay en el líquido filtrado? Para facilitar la filtración se puede hacer el vacío en el recipiente donde cae el filtrado. De esta manera, el líquido sufre el empuje del aire y atraviesa el filtro con mayor velocidad.

La filtración con vacío se suele hacer con un embudo de filtración especial llamado EMBUDO BUCHNER y un matraz con una salida lateral llamado KITASATO. El vacío se logra mediante un aparato llamado TROMPA DE VACÍO que se conecta al grifo y al kitasato mediante tubos de goma. Al caer el agua del grifo por la trompa arrastra al aire del kitasato, haciendo que la presión en el interior de éste disminuya. De esta manera, el líquido a filtrar sufre un empuje por parte del aire exterior.

CRISTALIZACIÓN Después de filtrar la mezcla de sulfato de cobre y arena se dispone de un líquido claro y transparente de color azul que es una disolución (mezcla homogénea) del sulfato de cobre en agua.

La filtración no sirve para separar los componentes de las disoluciones



La separación del sulfato de cobre del agua ha de basarse en una diferencia notable: el agua puede evaporarse quedando el sólido en el recipiente. Si la evaporación transcurre de manera lenta (sin ebullición), las partículas del

sólido que se encuentran en la disolución pueden unirse de manera ordenada formando CRISTALES. Para facilitar la evaporación se utiliza un recipiente que tenga una gran superficie: son los llamados cristalizadores, recipientes muy anchos y con poca altura. La cristalización puede realizarse de manera más rápida en el interior de una ESTUFA DE DESECACIÓN, donde la temperatura puede ser controlada de forma muy simple ya que dispone de termómetro y termostato (interruptor automático que conecta la estufa cuando la temperatura en el interior es

menor que la deseada y que la desconecta en caso contrario). ACTIVIDAD DE LABORATORIO: Dejamos cristalizar la disolución de sulfato de cobre en agua

DESTILACIÓN

Si el componente que interesa de una disolución es el sólido, se utiliza la cristalización como técnica de separación. A3.7 ¿Qué habría que hacer para recuperar el líquido obtenido en una cristalización?. En caso de que el componente interesante sea el líquido, la evaporación ha de hacerse de forma que no se pierda. Será necesario, por tanto, recoger todo el vapor formado y condensarlo en el sitio adecuado. Además, como no se busca la formación de cristales, la evaporación puede hacerse manera más rápida: se lleva el líquido hasta el punto de ebullición, bien por calentamiento (proceso de destilación normal) o bien por medio del vacío (destilación al vacío). Ésta última técnica ha de hacerse cuando el destilado sea un líquido fácilmente inflamable o que se pueda descomponer al calentar.

El conjunto está formado por: Matraz de destilación: recipiente esférico

con cuello largo y salida lateral para vapores. En el tapón se coloca un termómetro para observar la temperatura de ebullición (la del vapor formado).

Tubo refrigerante: se coloca mediante un tapón horadado al matraz de destilación. Está formado por un tubo largo por donde se hace pasar el vapor. Este tubo está

recubierto por una camisa de refrigeración por donde se hace circular agua del grifo en contracorriente al vapor. A medida que el vapor atraviesa el tubo refrigerante se enfría (el agua de refrigeración se calienta) y condensa en gotas que caen por la parte inferior.

Matraz Erlenmeyer donde se recoge el destilado. Mechero y soportes metálicos adecuados. Si en lugar de destilar una disolución de sólido en líquido se destila una disolución de dos líquidos (por ejemplo alcohol en agua) se presenta una diferencia fundamental: tanto el soluto como el disolvente se evaporan y el destilado no es una sustancia pura.

Cristalización en estufa



Al destilar una disolución de dos líquidos se obtiene una nueva mezcla, pero ésta es más rica en el componente más volátil (el componente que más rápido se evapora). Así, al destilar una disolución de alcohol en agua se vuelve a obtener una nueva disolución pero más rica en alcohol, por lo que el líquido que queda será más rico en agua. Por esa razón, la temperatura de ebullición va subiendo hasta alcanzar 100 C (en cuyo caso en el matraz sólo queda agua).

EXTRACCIÓN Antes hemos separado el sulfato de cobre de la sílice (arena de mar) en base a una diferencia notable: el sulfato de cobre es soluble en agua y la sílice no. Al echar agua a la mezcla sulfato - sílice se produce la extracción del sulfato de cobre. Para llegar a obtener el sulfato de cobre puro hay que realizar las siguientes OPERACIONES BÁSICAS:

Extracción del sulfato de cobre de la mezcla por disolución en agua (o en otro disolvente donde sea soluble, para ello habrá que investigar en la bibliografía acerca de las propiedades físicas de las sustancias).

Filtración para separar la sílice de la disolución acuosa de sulfato de cobre. Cristalización del filtrado.

A3.8 Busca en Internet las propiedades físicas del azufre y elabora un procedimiento para separar una mezcla de azufre y arena. A3.9 Diseña un procedimiento para:

a) Separar una mezcla de aceite - agua. b) Obtener azúcar de una mezcla arena - azúcar. c) Separar unas pocas pepitas de oro de un puñado de arena. d) Obtener aceite de la aceituna. e) Separar una mezcla de azufre y sal común. f) Obtener aceites esenciales de las plantas. g) Obtener sal del agua de mar.

A3.10 En un matraz de destilación se colocan 100 mL de un líquido transparente de color amarillo y cuya densidad es 1,2 g/cm3. Durante cierto tiempo se destila el líquido hasta recoger 60 mL de destilado que resulta incoloro y con una densidad de 1 g/mL. Responde a las siguientes cuestiones (explicando las respuestas):

a) El líquido original, ¿es una mezcla o sustancia pura? b) ¿Cuál es la masa de destilado recogido? c) ¿Podrías calcular el volumen de líquido que queda sin destilar?

A5.11 Cuando se efectúa la destilación de un líquido se coloca un termómetro en la parte superior para observar la temperatura de ebullición del líquido. Al destilar un líquido incoloro y transparente, observas que empieza a hervir a 80 C y que a medida que transcurre la destilación la temperatura de ebullición va aumentando hasta alcanzar 100 C. ¿Puede tratarse de una sustancia pura? Explica la respuesta.

Un líquido puro hierve a una temperatura constante Una disolución de dos líquidos hierve a temperatura variable



2.- DISOLUCIONES: LA CONCENTRACIÓN

En las disoluciones es conveniente conocer la proporción existente entre el soluto y el disolvente. Para ello, se define una nueva magnitud que puede expresarse de varias formas: la concentración. Se trata de una propiedad característica de las disoluciones ya que la proporción entre soluto y disolvente no depende de la cantidad de disolución que se coja. El soluto al disolverse se reparte por igual en toda la disolución. De esta manera, existe la misma concentración en 1 cc de una disolución que en 1000 cc de la misma disolución.

CONCENTRACIÓN % EN PESO Es la cantidad de soluto (en gramos) por cada 100 g de disolución. Se puede determinar fácilmente por la expresión:

Debe tenerse en cuenta que es una relación de equivalencia y por tanto puede utilizarse para los cálculos con factores de conversión.

EJERCICIO RESUELTO Se disuelven 20 g de sal en 250 mL de agua destilada. Calcula:

a) Concentración en % en peso de la disolución. b) Densidad de la disolución preparada. c) Masa de sal contenida en 40 g de disolución.

a) Sólo habrá que usar la expresión anterior:

masa soluto = 20 g masa disolución = masa soluto + masa disolvente masa disolvente = masa de 250 mL de agua = 250 g (recuerda que la densidad del agua es 1 g/mL) Por tanto:

b) la densidad de la disolución se puede determinar como la masa de disolución (270 g) partido por el volumen que ocupa. No se conoce el volumen de la disolución (250 mL es el volumen del disolvente) porque el VOLUMEN NO SE CONSERVA. Por tanto, no se puede calcular la densidad de la disolución con los datos del ejercicio.

c) Conocida la concentración el cálculo se puede realizar con factores de conversión:

100(g) disolución masa

(g) soluto masa peso %

peso en % 7,4 100 g 250 g 20

g 20 peso %

sal g 2,96 disolución g 100

sal g 7,4 disolución g 40



CONCENTRACIÓN g/L Una forma de expresar la concentración de una disolución muy utilizada es la relación entre la masa del soluto (expresada en gramos) y el volumen de la disolución (expresado en litros), esto es g/L.

USO CORRECTO LENGUAJE CIENTÍFICO:

CONCENTRACIÓN: Masa de soluto por litro de disolución. DENSIDAD: Masa de disolución por litro de disolución.

ATENCIÓN: Es muy importante distinguir las diferentes medidas que podemos encontrar en una disolución:

Masa del soluto Masa del disolvente Masa de la disolución Densidad del disolvente Densidad de la disolución Concentración en % Concentración en g/L

A3.12 Se mezclan 50 cm3 de alcohol (densidad = 0’82 g/mL) con 80 cm3 de agua para obtener una disolución cuya densidad es 0’96 g/mL. Completa todos los datos que puedas de la siguiente tabla: Soluto Disolvente Disolución Masa Volumen Densidad Concentración en % Concentración en g/L Responde a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué cantidad de alcohol hay en 20 cm3 de disolución? b) ¿Cuántos mL de disolución hay que coger para obtener 10 g de alcohol? c) Explica cómo se puede recuperar el alcohol de la mezcla. A3.13 Se mezclan 100 g de agua líquida (d = 1,0 g/cm3) con 100 cm3 de alcohol (d = 0’79 g/cm3). Completa todos los datos que puedas de la siguiente tabla: Soluto Disolvente Disolución Masa Volumen Densidad Concentración en % Concentración en g/L A3.14 En un recipiente de 5 litros de capacidad se introducen 20 g de gas oxígeno y 10 g de gas hidrógeno. ¿Cuál es la masa total de la mezcla? ¿Y el volumen total ocupado por la misma? Determina la concentración de cada gas en % en peso y en g/L. Calcula la densidad de la mezcla resultante.

No debe confundirse la concentración expresada en g/l con la densidad de la disolución (que también puede expresarse en g/l)



A3.15 Un saco de abono indica en su envase que contiene un 32% de potasio. Si se quiere añadir a una tierra 175 g de potasio, ¿qué cantidad de abono habría que utilizar? A3.16 Se disuelven 540 g de sacarosa hasta formar 1 litro de disolución, cuya densidad resulta ser 1,20 g/mL. Expresa la concentración de la disolución en % en peso. A3.17 Un vaso de leche tiene una masa total de 100 g. Echamos 2 terrones de azúcar de 1,5 g cada uno y removemos con la cucharilla. Después de un momento podemos observar que todo el azúcar se ha disuelto y que no se aprecian granos de azúcar. ¿Cuál será el volumen de la mezcla preparada? ¿Y su masa? Explica lo que crees que la ha ocurrido al azúcar. A3.18 Se preparan 500 cc de limonada disolviendo 20 g de azúcar en agua con limón. Expresa la concentración de la disolución en g/L. ¿Qué cantidad de azúcar tomaremos al beber 40 cc de limonada? A3.19 José preparó 2 litros de limonada en los que echó 200 g de azúcar. Por otra parte, María preparó 800 mL de limonada utilizando 90 g de azúcar. ¿Qué limonada estará más dulce? A3.20 Una marca de leche indica en el bote que contiene un 3% de materia grasa. La densidad de la leche es 1,05 g/mL. ¿Cuánta grasa hay en un litro de leche? ¿Cuál es la concentración de la grasa en la leche en g/L? A3.21 ¿Qué tiene mayor concentración en grasa: 1 litro de leche o 500 mL de la misma? Explica la respuesta. A3.22 El suero isotónico (empleado para lavar la nariz en los resfriados) es una disolución de sal común en agua del 0,9% en peso. ¿Qué masa de agua y de sal serían necesarias para preparar 250 g de suero isotónico? ¿Cuál sería la densidad aproximada de la disolución? ACTIVIDAD CONJUNTA CON BIOLOGÍA: Uso de las tablas de composición de alimentos

Física y Química Básica para ESO: 04 Procesos Químicos


PROCESOS QUÍMICOS 1.- FENÓMENOS FÍSICOS Y FENÓMENOS QUÍMICOS El mundo natural en el que vivimos está sometido continuamente a CAMBIOS. Algunos cambios se detectan fácilmente, otros tardan más tiempo en producirse y es más difícil comprobarlos. El número y clase de esos cambios es tan variado y extenso que los científicos han decidido en clasificarlos en dos grandes grupos:

A4.1 Clasifica en uno de estos grupos las transformaciones siguientes:

a. moverse de un lado a otro. b. hervir agua c. oxidar el hierro d. una tostada de pan que se hace demasiado y se quema e. obtener vino a partir de la uva f. arrugar una hoja de papel

A4.2 Propón ejemplos de transformaciones físicas y de transformaciones químicas que NO hayan aparecido en la actividad anterior. ACTIVIDAD PRÁCTICA: A realizar por el profesor. Echamos un poco de azúcar en un tubo de ensayo y pesamos el conjunto. Calentamos el azúcar con el mechero de laboratorio (hay que mover el tubo para calentar todo pero sin concentrar mucha energía en una zona que podría provocar expulsión de material: NO DIRIGIR EL TUBO HACIA NINGUNA PERSONA). Anotamos los cambios que se producen. Dejamos enfriar el tubo y volvemos a pesar el mismo con los restos que han quedado. El alumno puede realizarlo calentando azúcar en una cuchara. 2.- CAMBIOS QUÍMICOS Y CONSERVACIÓN DE LA MASA Tal y como acabamos de comentar, un cambio químico, supone la alteración de las propiedades del cuerpo (o de los cuerpos) que intervienen. Sin embargo, surge la primera cuestión: ¿qué propiedades? Ya hemos visto que los cuerpos poseen unas propiedades verdaderamente importantes que nos ayudan a diferenciar unos de otros, y otras “propiedades” de menor importancia de las que podemos prescindir (por ejemplo, su color). Por tanto, aquí podemos tener el primer criterio que nos ayude a identificar el cambio químico:

La Química, como Ciencia, nace con el descubrimiento de la primera ley fundamental de la Naturaleza:

“En cualquier cambio la masa se conserva” (Ley de conservación de la masa) Su descubrimiento se debe al científico francés Antoine-Laurent de Lavoisier, a finales del siglo XVIII. A4.3 ¿Qué ha ocurrido con la masa en la experiencia del azúcar? Intenta dar una explicación.

CAMBIOS FÍSICOS: son aquellos que NO modifican la composición del cuerpo que los sufre. CAMBIOS QUÍMICOS: modifican la naturaleza y propiedades del cuerpo que los sufre.

Un cuerpo sufre una transformación química si se alteran sus propiedades características (punto de fusión, de ebullición, etc…), ya que en ese caso, esto será indicativo de que la sustancia inicial “se ha convertido” en otra diferente.



OTRO CAMBIO QUÍMICO: El azufre es un sólido de color amarillo a temperatura ambiente y no es atraído por un imán. El hierro es de color gris metálico y sí es atraído por un imán. Si se calientan juntos azufre en polvo y limaduras de hierro, se forma una nueva sustancia sólida negra llamada “sulfuro de hierro” (FeS) que no es atraído por el imán.

A4.4 Tenemos un clavo de hierro de 8 g que dejamos en un ambiente húmedo y termina por oxidarse. ¿Qué piensas que sucede con la masa del clavo cuando éste se oxida? ¿Se verá atraído por el imán? A4.5 Disponemos de 100 g de una sustancia que presenta un color blanco. La calentamos intensamente y observamos que tras el proceso, queda una sustancia (también de color blanco) cuya masa es de 56 g.

a. ¿Piensas que ha habido alguna reacción química? ¿Cómo puedes averiguarlo? b. ¿Se cumple la Ley de Lavoisier en este caso?

CONSERVACIÓN DE LA MASA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS: lo hace también el profesor En un matraz Erlenmeyer se pone agua con ácido clorhídrico. Cogemos unos trozos de cinc o de carbonato de

calcio y un globo. Pesamos todo el conjunto y anotamos los resultados. Dejamos caer en el interior del matraz que contiene el ácido, todo el metal o carbonato y, RÁPIDAMENTE,

ajustamos en la boca del matraz el globo. Dejamos todo el conjunto sobre la balanza a. ¿Qué es lo que sucede cuando echamos el metal o el carbonato al ácido? b. ¿Piensas que se está produciendo una reacción química? ¿Por qué? c. ¿Qué sucede con lo que marca la balanza tras echar el metal al ácido y poner el globo? d. ¿Qué papel desempeña el globo en esta experiencia? ¿Podríamos haber puesto un tapón en su

lugar al matraz? e. Busca en la bibliografía información sobre A. Lovoissier, considerado por muchos como padre de

la Química. ¿Cuál fue su aportación fundamental a esta Ciencia?

3.- DESCOMPOSICIÓN DE SUSTANCIAS PURAS: COMPUESTOS Y ELEMENTOS En el tema anterior hemos visto como una mezcla puede ser separada en sustancias puras. En muchas ocasiones estas sustancias puras pueden sufrir cambios químicos (por ejemplo, al ser calentadas fuertemente) y dar lugar a varias sustancias. Este tipo de proceso químico se denomina REACCIÓN DE DESCOMPOSICIÓN. Los filósofos griegos empezaron a considerar, hace más de dos mil años, que todas las cosas estarían formadas por combinación de sustancias básicas, esto es, de ELEMENTOS. En principio reconocieron cuatro “elementos”: el aire, la tierra, el fuego y el agua. Aristóteles añadiría un quinto elemento, el éter, que formaría los cielos. Posteriormente, y gracias al trabajo de los alquimistas, se descubrirían nuevas sustancias, algunas de las cuales se incorporaron al grupo de elementos (sin que existiera una definición para ellos): el azufre, el mercurio, la cal, etc. Robert Boyle daría, en el siglo XVII, una definición concreta del concepto de elemento: "SON TODAS AQUELLAS SUSTANCIAS QUE NO SE PUEDEN DESCOMPONER". El trabajo de físicos y químicos durante los siglos XVII y XVIII sería fundamental para desterrar la idea de los cinco elementos: Se comprobó que el aire es una mezcla de varios gases, principalmente oxígeno (21% de las partículas del aire) y

nitrógeno (78 % de las partículas). Se logro obtener agua a partir de dos elementos: el oxígeno y el hidrógeno (hidrógeno significa generador de agua),

por lo que quedaba claro que el agua es un compuesto y no elemento. El fuego es una manifestación de la energía desprendida en los procesos químicos.



La tierra está formada por una gran mezcla de compuestos. El espacio interestelar está prácticamente vacío y la materia que se encuentra en estrellas y planetas es semejante

a la que forma la Tierra: el quinto elemento no existe. A principios del siglo XVIII, la lista de elementos conocidos contenía una serie de sustancias que no se podían descomponer con las técnicas de trabajo de la época (la cal y la sílice, por ejemplo). Posteriores descubrimientos hicieron posible la descomposición de estas sustancias y su eliminación de la lista de elementos. 4.- ÁTOMOS Y MOLÉCULAS: PROTAGONISTAS DE LAS REACCIONES QUÍMICAS En la primera mitad del siglo XVIII, el inglés John Dalton rescató una idea fundamental que un grupo de filósofos griegos (contrarios a la filosofía de Aristóteles) había elaborado. Según ésta, la materia estaría formada por agrupaciones de partículas indivisibles llamadas ÁTOMOS. Las ideas básicas del modelo atómico de Dalton son simples: Los elementos están constituidos por átomos indivisibles. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí

y diferentes a los de otro elemento. Los compuestos se forman por la unión de átomos de los correspondientes elementos en relaciones numéricas

simples: 1 átomo de A con 1 átomo de B, 2 átomos de A con 1 átomo de B, etc. La explicación de la ley de conservación de la masa es evidente: en una reacción química los átomos se recombinan pero el número total de ellos permanece constante. Hoy conocemos 92 elementos naturales y más de una docena de elementos artificiales. Cuando se estudiaron las propiedades químicas de los elementos se descubrió, en la segunda década del siglo XVIII, que existe una clasificación natural de los elementos: la conocida TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS, donde cada elemento viene representado por su símbolo.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 H He 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba La* Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra Ac**

Pronto se descubrió que, excepto en los gases nobles, las partículas que constituyen la base del modelo cinético estudiado en la adaptación tercera, no son átomos aislados sino agrupaciones de átomos llamadas MOLÉCULAS. Éstas están formadas por átomos muy fuertemente unidos, de modo que si los átomos que forman una molécula son iguales, ya sabemos que aquélla representa a un elemento, y si los átomos unidos son diferentes, la molécula representa a un compuesto.

* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ** Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw

UN COMPUESTO NO ES UNA MEZCLA DE ELEMENTOS UNA MEZCLA DE ELEMENTOS PUEDE REACCIONAR Y FORMAR UN COMPUESTO



ATENCIÓN: Las moléculas se representan por fórmulas donde figuran los símbolos de los elementos presentes con subíndices que señalan el número de átomos de cada elemento combinado en el compuesto: H2 : molécula llamada dihidrógeno (formada por dos átomos de hidrógeno unidos) H2O : molécula de agua (dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno) H2 + O2 : una molécula de dihidrógeno y otra de dioxígeno (mezcla) 2 H2 : dos moléculas de dihidrógeno. A4.6 En la siguiente figura se representa el contenido de dos recipientes (de igual capacidad):

Los círculos corresponden a los átomos (las letras corresponde al símbolo químico).

Comenta los siguientes enunciados explicando cuáles son verdaderos y cuáles no: a) Las partículas del primer recipiente son átomos de oxígeno. b) En el segundo recipiente hay una compuesto. c) Las moléculas de ambos recipientes están en movimiento. d) La velocidad media de las moléculas del segundo recipiente es mayor que las del primero. e) La presión del primer recipiente es mayor que la del segundo.

A4.7 La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno unido a un átomo de oxígeno. ¿Cuántas moléculas de agua se pueden obtener con el contenido de los dos recipientes?. Haz un dibujo representativo de la situación final. Los procesos químicos se representan por medio de ecuaciones químicas:

REACTIVOS PRODUCTOS En el primer miembro de esta ecuación figuran las fórmulas de las moléculas de reactivos y el segundo las de los productos. Así la obtención del agua se puede representar por la ecuación: DIHIDRÓGENO + DIOXÍGENO AGUA H2 + O2 H2O Como el número de átomos debe permanecer constante (ley de conservación de la masa), en el segundo miembro deben aparecer dos átomos de oxígeno, por lo que han de producirse dos moléculas de agua. Esto requiere, a su vez, la presencia de cuatro átomos de hidrógeno en el primer miembro, es decir, dos moléculas de hidrógeno. Por tanto la ecuación completa será: 2 H2 + O2 2 H2O



Los números que aparecen delante de las fórmulas moleculares (1 en caso de que no figure ninguno) se llaman COEFICIENTES ESTEQUIOMÉTRICOS y su significado es evidente; representan el número de moléculas que reaccionan y se producen. En estos niveles se determinan por tanteo (contando el número de átomos totales de cada elemento y colocando los números adecuados para que el número de átomos en reactivos y productos sea igual). Esta determinación se denomina AJUSTE de la ecuación química. A4.8 Suponiendo que el contenido de los recipientes reacciona para formar agua, explica qué ocurre con las siguientes magnitudes después de efectuarse la reacción química: a) La masa total contenida en C. b) El número de moléculas totales. A4.9 La molécula de amoniaco está formada por tres átomos de hidrógeno unidos a un átomo de nitrógeno. Representa gráficamente la reacción de obtención del amoniaco a partir del dinitrógeno y del dihidrógeno. Escribe la ecuación química correspondiente al proceso y ajústala. A4.10 Supón que los átomos de nitrógeno los representamos por un cuadrado, los de hidrógeno por un triángulo, los de oxígeno por un círculo y los de carbono por un rombo. ¿Qué representación “geométrica” tendrían las siguientes sustancias puras:

a. Agua b. amoniaco (NH3) c. Dinitrógeno (N2) d. Dihidrógeno (H2) e. Agua oxigenada (H2O2) f. Monóxido de nitrógeno (NO) g. dióxido de carbono (CO2) h. metano (CH4)

Clasifícalas en compuestos y elementos. A4.11 Ajusta las siguiente s ecuaciones químicas y represéntalas con dibujos:

a. C + O2 CO2 b. H2O2 H2 + O2 c. N2 + H2 NH3 d. H2O H2 + O2 e. N2 + O2 NO

A4.12 Ajusta las siguientes reacciones:

a. HCl + Zn ZnCl2 + H2 b. PCl + H2O H3(PO)3 + HCl c. C5H12 + O2 CO2 + H2O d. PbO + C CO2 + Pb e. Fe2O3 + CO Fe + CO2 f. CO + O2 CO2 g. Na2CO3 + HCl CO2 + NaCl + H2O h. H2 + I2 HI i. KClO3 KCl + O2 j. CS2 + Cl2 CCl4 + S2Cl2

A4.13 El cobre reacciona con el oxígeno para formar un óxido de cobre. Se sabe que una molécula de oxígeno reacciona con 2 átomos de cobre (Cu) para formar 2 moléculas del óxido de cobre.

a. Escribe y ajusta la reacción correspondiente. b. En otra experiencia se consigue hacer reaccionar 400 moléculas de oxígeno y 100 átomos de cobre.

¿Qué cantidad de óxido se formará y cuánto y qué sustancia sobrará?



5.- PESANDO ÁTOMOS Y MOLÉCULAS. EL MOL: UN GENIAL INVENTO Como sabemos, al unidad de masa en el S.I. es el kilogramo. Sin embargo, es imposible detectar en una balanza la masa de cualquier molécula. Ni tan siquiera puede hacerse en g o en mg. Por otra parte, decir que un cuerpo tiene 45 kg de masa, simplemente significa que “pesa 45 veces más que la unidad que se ha elegido como referencia”, esto es que ese cuerpo “pesa 45 veces más que un litro de agua” (que como sabes es lo que hemos usado en los primeros temas para definir el kilogramo). A la hora de hablar de las masas de las moléculas y de los átomos, es necesario definir una nueva escala, un nuevo patrón unidad, que nos sirva de referencia, pues el kilogramo es demasiado grande. Desde hace mucho tiempo, los químicos venían observando que el hidrógeno es el elemento más ligero de todos los que intervienen en las reacciones químicas. Por ello, pensaron, que sería muy buena idea adoptarlo como unidad de masas atómicas (u). Así fue. Con correcciones posteriores, decir que un átomo de azufre pesa 32 u significa, simplemente, que pesa 32 veces más que el átomo de hidrógeno. De este modo las cosas, todos los elementos químicos que aparecen en la tabla periódica poseen su dato de masa atómica. Basta por tanto consultarla para conocer cuántas veces es más pesado un átomo que otro. A4.14 Consultando una tabla periódica, ordena por orden creciente de masas atómicas los siguientes elementos: oro, carbono, bromo, bario, aluminio, magnesio y mercurio. Esta escala de masas atómicas nos permite conocer, también las masas moleculares, esto es, las masas de las moléculas, con sólo conocer su fórmula química, ya que la masa molecular (masa en uma de UNA molécula) será, lógicamente, la suma de las masas de cada uno de los átomos que la forman. Debes buscar en la Tabla Periódica las masas atómicas. Consulta la que hay en Iniciación Interactiva a la Materia de Mariano Gaite Cuesta A4.15 Determina las masas moleculares de las siguientes sustancias

a. Alcohol (CH3CH2OH) b. Cal viva (CaO) c. Sosa cáustica (Na(OH)) d. Óxido de Hierro III (Fe2O3) e. Butano (C4H10) f. Nitrato de Cobre II (Cu(NO3)2) g. Sulfato de Aluminio Al2(SO4)3

Pero, ¿cuál es la equivalencia entre el gramo y la u.m.a. (u)? A4.16 Completa: “Una molécula de agua, H2O, pesa, en u……………………………” “Dos moléculas de agua, pesan, en u…………………………………” “Cinco moléculas de agua, pesan en u……………………………….” ……………….. ………….. ………… …………. …… “Trescientas moléculas de agua, pesan en u………………………..” …………… ……….. …………… ………….. …………… …………. …… “Un millón de moléculas de agua, pesan en u………………………”



Aunque pueda parecer lo contrario, un millón, 106, de moléculas de agua no son suficientes como para que la balanza del laboratorio sea capaz de detectarlas, pero podemos seguir “añadiendo moléculas hasta que la balanza marque algo importante” “1010 moléculas de agua, pesarían en u…………………………….” Un último cálculo más: el más importante: “6,022·1023 moléculas de agua, en u, pesarían………………………” Sin embargo, este número, 6,022·1023 es ya un número muy, muy grande. Tanto, que la balanza es capaz de detectar la masa de ese gran número de moléculas. Para el caso del agua, 6,022·1023 moléculas de H2O pesan 18 gramos. ¡Qué curioso…! El mismo valor numérico que la masa molecular en u de una molécula de agua. Este número, 6,022·1023 no se ha escogido de modo arbitrario. Precisamente, lo que antes sucedía con el agua sucede con todas las sustancias. Al número 6,022·1023 se lo denomina NÚMERO DE AVOGADRO, y es de los más importantes que existen en química. Es un número muy grande.

El MOL, por tanto, es una unidad DE CANTIDAD DE SUSTANCIA. Es uno de los conceptos más importantes y fundamentales en Química. Es algo así como “la docena” de los químicos. Por ejemplo, estamos acostumbrados a manejar y entender el concepto de “la docena”: una docena de naranjas, tres docenas de melocotones, media docena de huevos, etc…, y esto no nos ofrece duda sobre la cantidad de la que hablamos y de cuál de ellas pesa más. Pues casi del mismo modo, cuando hablamos de mol, estamos hablando casi de la misma manera, sólo que esa “docena química” NO es de 12 unidades, sino de 6,022·1023 unidades. Una de “esas docenas” que llamamos mol, pesa un número igual de gramos que el que nos indica su masa molecular, pero OJO! posee un significado distinto. A4.17 Supón que repartimos un mol de euros entre todos los habitantes del planeta Tierra, cuya población se acerca a los 8000 millones de habitantes.

a. ¿Cuántos euros estamos repartiendo? b. ¿Cuántos euros te corresponderían a ti?

A4.18 a) ¿Qué pesará más una docena de melocotones o una docena de uvas? ¿Por qué? b) ¿Qué pesará más un mol de nitrógeno (N2) o un mol de cloro (Cl2)?. c) ¿Dónde hay mayor número de átomos: en un mol de hierro o en un mol de carbono? ¿Por qué? ¿Cuál de esos moles pesará más? A4.19 Completa la tabla:

Sustancia Masa una molécula (u) Masa 1 mol (g) Carbonato de sodio (Na2CO3)

Benceno (C6H6) Amoniaco

Ácido sulfúrico (H2SO4) A4.20 Calcula, haciendo uso de factores de conversión, cuántos moles hay en:

a) 100 g de agua b) 100 g de amoniaco

La masa del número de Avogadro de partículas de una sustancia, se la denomina MOL, y se ha adoptado ese valor de 6,022·1023 para que el valor numérico de esa masa en gramos coincida con el valor numérico de la masa en uma de una de esas partículas (átomos o moléculas)



c) 100 g de ácido sulfúrico (usa las fórmulas de ejercicios anteriores) A4.21 Ordena las siguientes sustancias según su peso en gramos: 0,2 moles de aluminio, 0,1 moles de mercurio, 1 mol de metano (CH4), 8 moles de dihidrógeno (H2), 25 g de fósforo, 500 mg de azufre, 250 ml de agua destilada. A4.22 El esqueleto de un animal pesó 12 kg, de los que se sabe que sólo el 45 % corresponde al fosfato de calcio,Ca3(PO4)2 de esos huesos.

a. ¿Cuántos gramos de fosfato de calcio contiene el esqueleto? b. ¿Cuántas moles de fosfato de calcio contiene?

A4.23 ¿Cuántos moles de azúcar (C12H22O11) harán falta para disponer de ½ kg de azúcar? Si un terrón de azúcar tiene una masa de 0,85 g, ¿cuántos moles son? A4.24 Un saco de abono de 12 kg posee un 18% de nitrato de potasio (KNO3).

a. ¿Cuántos gramos de nitrato de potasio posee? b. ¿Cuántas moles de nitrato de potasio contiene el saco? c. Un terreno precisa abonarse con 105 kg de nitrato de potasio. ¿Cuántos sacos se

necesitarán? MUY IMPORTANTE: La masa molar te permite conocer la proporción de cada componente dentro de un compuesto. Así, en 18 g de agua (1 mol) hay 2 g de hidrógeno y 16 g de oxígeno. Estas cantidades se pueden utilizar como factor de conversión para realizar cálculos. A4.25 ¿Cuántos gramos de hidrógeno hay en 30 g de agua? ¿Cuántos gramos de agua se pueden formar por reacción completa de 30 g de oxígeno?. A4.26 ¿Cuántos gramos de cobre se pueden obtener de 130 g del compuesto Cu2O? A4.27 En 0’5 moles de CO2 , calcula:

a) El número de moléculas de CO2. b) La masa de CO2. c) El número total de átomos.

A4.28 Un vaso contiene 100 mL de agua. Calcula:

a) Cuántos moles de agua hay en el vaso. b) Cuántas moléculas de agua hay en el vaso. c) Cuántos átomos de hidrógeno y oxígeno hay en el vaso.

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